Квантовая механика странная. Теория, описывающая работу крошечных частиц и сил, печально известна Альберту Эйнштейну, который настолько обеспокоен тем, что в 1935 году он и его коллеги утверждали, что она должна быть неполной - слишком «пугающей», чтобы быть реальной.
Связанный контент
- Ученые ловят кошку Шредингера на камеру
- Семь простых способов, которыми мы знаем, что Эйнштейн был прав (на данный момент)
- Странная физика может сделать невидимого кота видимым
- У Lockheed Martin есть сумасшедшие быстрые квантовые компьютеры и планы по их фактическому использованию
Проблема в том, что квантовая физика, кажется, не поддается здравому смыслу понятия причинности, локальности и реализма. Например, вы знаете, что луна существует, даже если вы не смотрите на нее - это реализм. Причинность говорит нам, что если вы щелкнете выключателем света, лампочка загорится. А благодаря жесткому ограничению скорости света, если вы сейчас щёлкните по переключателю, соответствующий эффект не может произойти мгновенно за миллион световых лет в зависимости от местности. Однако эти принципы разрушаются в квантовой сфере. Возможно, самый известный пример - это квантовое запутывание, которое говорит о том, что частицы на противоположных сторонах вселенной могут быть неразрывно связаны друг с другом, так что они мгновенно обмениваются информацией - идея, которая заставила Эйнштейна смеяться.
Но в 1964 году физик Джон Стюарт Белл доказал, что квантовая физика на самом деле является полной и выполнимой теорией. Его результаты, теперь называемые теоремой Белла, эффективно доказали, что квантовые свойства, такие как запутанность, так же реальны, как и луна, и сегодня странное поведение квантовых систем используется для использования в различных реальных приложениях. Вот пять самых интригующих:
Стронциевые часы, представленные NIST и JILA в январе, сохранят точное время в течение следующих 5 миллиардов лет. (The Ye group и Брэд Баксли, JILA) Ультраточные часы
Надежное хронометраж - это больше, чем просто утренний будильник. Часы синхронизируют наш технологический мир, поддерживая такие вещи, как фондовые рынки и системы GPS. Стандартные часы используют регулярные колебания физических объектов, таких как маятники или кристаллы кварца, для производства их «тиков» и «токов». Сегодня самые точные часы в мире, атомные часы, могут использовать принципы квантовой теории для измерения времени. Они контролируют конкретную частоту излучения, необходимую для того, чтобы электроны прыгали между уровнями энергии. Квантово-логические часы в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST) в Колорадо теряют или набирают секунды каждые 3, 7 миллиарда лет. И часы стронция NIST, представленные ранее в этом году, будут такими точными в течение 5 миллиардов лет - дольше, чем нынешний возраст Земли. Такие сверхчувствительные атомные часы помогают в GPS-навигации, телекоммуникациях и съемке.
Точность атомных часов частично зависит от количества используемых атомов. Хранящийся в вакуумной камере, каждый атом независимо измеряет время и следит за случайными локальными различиями между собой и его соседями. Если ученые втирают в атомные часы в 100 раз больше атомов, это становится в 10 раз более точным, но есть ограничение на количество атомов, в которые можно втиснуться. Следующая большая цель исследователей - успешно использовать запутывание для повышения точности. Запутанные атомы не будут озабочены локальными различиями и вместо этого будут только измерять ход времени, эффективно объединяя их в единый маятник. Это означает, что добавление в запутанные часы в 100 раз больше атомов сделает их в 100 раз более точными. Запутанные часы могут быть даже связаны, чтобы сформировать всемирную сеть, которая будет измерять время независимо от местоположения.
Наблюдателям будет нелегко взломать квантовую корреспонденцию. (ВОЛКЕР СТЕГЕР / Научная фотобиблиотека / Корбис) Не взламываемые коды
Традиционная криптография работает с использованием ключей: отправитель использует один ключ для кодирования информации, а получатель использует другой для декодирования сообщения. Тем не менее, трудно устранить риск перехватчика, и ключи могут быть скомпрометированы. Это можно исправить с помощью потенциально небьющегося распределения квантовых ключей (QKD). В QKD информация о ключе отправляется через фотоны, которые были случайно поляризованы. Это ограничивает фотон так, что он вибрирует только в одной плоскости - например, вверх и вниз или слева направо. Получатель может использовать поляризованные фильтры для расшифровки ключа, а затем использовать выбранный алгоритм для безопасного шифрования сообщения. Секретные данные по-прежнему отправляются по обычным каналам связи, но никто не может декодировать сообщение, если у них нет точного квантового ключа. Это сложно, потому что квантовые правила диктуют, что «чтение» поляризованных фотонов всегда будет изменять их состояния, и любая попытка прослушивания предупредит коммуникаторов о взломе безопасности.
Сегодня такие компании, как BBN Technologies, Toshiba и ID Quantique, используют QKD для проектирования сверхзащищенных сетей. В 2007 году Швейцария опробовала продукт ID Quantique, чтобы обеспечить защищенную систему голосования во время выборов. И первый банковский перевод с использованием запутанного QKD был осуществлен в Австрии в 2004 году. Эта система обещает быть очень безопасной, потому что, если фотоны запутаны, любые изменения в их квантовых состояниях, сделанные нарушителями, будут немедленно очевидны для любого, кто наблюдает за несением ключа частицы. Но эта система еще не работает на больших расстояниях. До сих пор запутанные фотоны были переданы на максимальном расстоянии около 88 миль.
Крупный план компьютерной микросхемы D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Сверхмощные компьютеры
Стандартный компьютер кодирует информацию в виде строки двоичных цифр или битов. Квантовые компьютеры перегружают вычислительную мощность, потому что они используют квантовые биты, или кубиты, которые существуют в суперпозиции состояний - до тех пор, пока они не будут измерены, кубиты могут быть как «1», так и «0» одновременно.
Эта область все еще находится в разработке, но были шаги в правильном направлении. В 2011 году D-Wave Systems представила D-Wave One, 128-битный процессор, за которым год спустя последовала 512-кубитовая D-Wave Two. Компания утверждает, что это первые в мире коммерческие квантовые компьютеры. Однако это утверждение было встречено со скептицизмом, отчасти потому, что до сих пор неясно, запутаны ли кубиты D-Wave. Исследования, опубликованные в мае, обнаружили признаки запутанности, но только в небольшом подмножестве компьютерных кубитов. Также существует неопределенность в отношении того, показывают ли чипы какое-либо надежное квантовое ускорение. Тем не менее, НАСА и Google объединились, чтобы создать Лабораторию квантового искусственного интеллекта на основе D-Wave Two. И ученые из Бристольского университета в прошлом году подключили один из своих традиционных квантовых чипов к Интернету, чтобы любой, у кого есть веб-браузер, мог изучить квантовое кодирование.
Внимательно следя за запутанностью. (Оно и др., Arxiv.org) Улучшенные микроскопы
В феврале группа исследователей из японского университета Хоккайдо разработала первый в мире микроскоп с улучшенной запутанностью, используя метод, известный как дифференциальная интерференционная контрастная микроскопия. Микроскоп этого типа запускает два пучка фотонов в вещество и измеряет интерференционную картину, создаваемую отраженными лучами - картина меняется в зависимости от того, попадают ли они на плоскую или неровную поверхность. Использование запутанных фотонов значительно увеличивает объем информации, которую может собирать микроскоп, поскольку измерение одного запутанного фотона дает информацию о его партнере.
Команде Хоккайдо удалось изобразить выгравированную букву «Q», которая стояла всего в 17 нанометрах над фоном с беспрецедентной резкостью. Подобные методы могут быть использованы для улучшения разрешения астрономических инструментов, называемых интерферометрами, которые накладывают различные волны света для лучшего анализа их свойств. Интерферометры используются для охоты на внесолнечные планеты, для исследования ближайших звезд и для поиска пульсаций в пространстве-времени, называемых гравитационными волнами.
Европейский малиновка может быть квантом естественным. (Эндрю Паркинсон / Корбис) Биологические Компасы
Люди не единственные, кто использует квантовую механику. Одна из ведущих теорий предполагает, что такие птицы, как европейские малиновки, используют жуткое действие, чтобы не отставать, когда мигрируют. Метод включает светочувствительный белок, называемый криптохром, который может содержать запутанные электроны. Когда фотоны попадают в глаз, они попадают на молекулы криптохрома и могут доставлять достаточно энергии, чтобы разорвать их на части, образуя две реактивные молекулы или радикалы с неспаренными, но все еще запутанными электронами. Магнитное поле, окружающее птицу, влияет на продолжительность действия этих криптохромных радикалов. Считается, что клетки в сетчатке птицы очень чувствительны к наличию запутанных радикалов, что позволяет животным эффективно «видеть» магнитную карту, основанную на молекулах.
Однако этот процесс не до конца понятен, и есть еще один вариант: магнитная чувствительность птиц может быть связана с небольшими кристаллами магнитных минералов в их клювах. Тем не менее, если запутывание действительно происходит, эксперименты показывают, что деликатное состояние должно длиться гораздо дольше в глазах птицы, чем даже в самых лучших искусственных системах. Магнитный компас также может быть применим к некоторым ящерицам, ракообразным, насекомым и даже некоторым млекопитающим. Например, форма криптохрома, используемая для магнитной навигации у мух, также была обнаружена в человеческом глазу, хотя неясно, была ли она или когда-то полезной для аналогичной цели.
