Znajdź zawartość

Zwykle przyjmowano, że liczby zespolone, czyli zawierające składnik z liczbą urojoną i (i do kwadratu daje minus jeden) są wyłącznie matematycznym trikiem. Polsko-chińsko-kanadyjski zespół naukowców udowodnił jednak, że urojoną część mechaniki kwantowej można zaobserwować w akcji w rzeczywistym świecie – informuje Centrum Nowych Technologii UW. Nasze intuicyjne wyobrażenia dotyczące zdolności liczb do opisu świata fizycznego wymagają istotnego przebudowania. Do tej pory wydawało się, że związek z mierzalnymi wielkościami fizycznymi mają wyłącznie liczby rzeczywiste. Jednak udało się znaleźć stany kwantowe splątanych fotonów, których nie da się rozróżnić bez sięgania po liczby zespolone. Co więcej, badacze przeprowadzili także eksperyment potwierdzający znaczenie liczb zespolonych dla mechaniki kwantowej Badania prowadził zespół dr. Alexandra Streltsova z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych Uniwersytetu Warszawskiego (QOT) z udziałem naukowców z University of Science and Technology of China (USTC) w Hefei i University of Calgary (UCalgary). . Artykuły opisujące teorię i pomiary ukazały się w czasopismach Physical Review Letters i Physical Review A. W fizyce liczby zespolone uważano za twory o czysto matematycznej naturze. Co prawda w równaniach mechaniki kwantowej pełnią rolę wręcz podstawową, traktowano je jednak po prostu jako narzędzie, coś, co fizykom ułatwia rachunki. My na drodze teoretycznej i doświadczalnej dowiedliśmy, że są takie stany kwantowe, które można rozróżnić wyłącznie wtedy, gdy obliczenia prowadzi się z nieodzownym udziałem liczb zespolonych – komentuje dr Streltsov. Liczby zespolone są zbudowane z dwóch składników, rzeczywistego oraz urojonego. Mają postać a + bi, gdzie liczby a oraz b są rzeczywiste. Za specyficzne cechy liczb zespolonych odpowiada składnik bi. Kluczową rolę odkrywa tu liczba urojona i. Liczba i to pierwiastek kwadratowy z -1 (a więc gdyby podnieść ją do kwadratu, uzyskamy minus jeden). W fizycznym świecie trudno wyobrazić sobie coś, co można byłoby bezpośrednio związać z liczbą i. Na stole mogą leżeć 2 czy 3 jabłka, jest to naturalne. Gdy jedno jabłko zabierzemy, możemy mówić o fizycznym braku i opisać go ujemną liczbą całkowitą -1. Jabłko możemy przekroić na dwie czy trzy części, otrzymując fizyczne odpowiedniki liczb wymiernych 1/2 czy 1/3. Gdyby stół był idealnym kwadratem, jego przekątna byłaby (niewymierny) pierwiastek kwadratowy z liczby 2 dłuższa od boku. Jednocześnie mimo najszczerszych chęci nie da się na stole położyć jabłek w liczbie i. Zaskakująca kariera liczb zespolonych w fizyce ma związek z faktem, że wszelkiego typu oscylacje dają się opisać za ich pomocą znacznie wygodniej niż z użyciem popularnych funkcji trygonometrycznych. Obliczenia prowadzi się więc z liczbami zespolonymi, po czym na koniec bierze się pod uwagę tylko występujące w nich liczby rzeczywiste. Na tle innych teorii fizycznych mechanika kwantowa jest szczególna, ponieważ musi opisywać obiekty, które w jednych warunkach potrafią się zachowywać jak cząstki, w innych jak fale. Podstawowe równanie tej teorii, przyjmowane jako postulat, to równanie Schrödingera. Opisuje ono zmiany w czasie pewnej funkcji, nazywanej funkcją falową, która ma związek z rozkładem prawdopodobieństwa znalezienia układu w takim a nie innym stanie. Jednak tuż obok funkcji falowej w równaniu Schrödingera jawnie występuje liczba urojona i. Od dekad trwała debata, czy za pomocą samych liczb rzeczywistych można stworzyć spójną i kompletną mechanikę kwantową. Postanowiliśmy zatem znaleźć stany kwantowe, które można byłoby od siebie rozróżnić tylko z użyciem liczb zespolonych. Rozstrzygającym momentem było doświadczenie, gdzie wytworzyliśmy te stany i fizycznie sprawdziliśmy, czy są one rozróżnialne, czy też nie – mówi dr Streltsov, którego badania były finansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Eksperyment weryfikujący rolę liczb zespolonych w mechanice kwantowej można przedstawić w formie gry Alicji i Boba z udziałem prowadzącego rozgrywkę mistrza. Za pomocą urządzenia z laserami i kryształami mistrz gry wiąże dwa fotony w jeden z dwóch stanów kwantowych, których rozróżnienie bezwzględnie wymaga użycia liczb zespolonych. Następnie jeden foton wysyła do Alicji, a drugi do Boba. Każde z nich dokonuje pomiaru swojego fotonu, po czym komunikuje się z drugim w celu ustalenia istniejących korelacji. Przypuśćmy, że wyniki pomiarów Alicji i Boba mogą przyjmować wyłącznie wartości 0 albo 1. Alicja widzi bezsensowny ciąg zer i jedynek, Bob podobnie. Jeśli jednak się skomunikują, mogą ustalić powiązania między odpowiednimi pomiarami. Jeśli mistrz gry wysłał im stan skorelowany, gdy jedno zobaczy wynik 0, drugie również. Jeśli otrzymali stan antyskorelowany, gdy Alicja zmierzy 0, u Boba będzie 1. Dzięki wzajemnym uzgodnieniom Alicja i Bob mogliby rozróżnić nasze stany, ale tylko w sytuacji, gdyby ich kwantowa natura miała charakter fundamentalnie zespolony – mówi dr Streltsov. Do opisu teoretycznego wykorzystano podejście znane jako teoria zasobów kwantowych. Samo doświadczenie z lokalnym rozróżnianiem splątanych stanów dwufotonowych przeprowadzono w laboratorium w Hefei z użyciem technik optyki liniowej. Przygotowane przez badaczy stany kwantowe okazały się rozróżnialne, co dowodzi, że liczby zespolone są integralną, nieusuwalną częścią mechaniki kwantowej. Osiągnięcie polsko-chińsko-kanadyjskiego zespołu badaczy ma znaczenie podstawowe, jest ono jednak tak głębokie, że może się przełożyć na nowe technologie kwantowe. W szczególności badania nad rolą liczb zespolonych w mechanice kwantowej mogą pomóc lepiej zrozumieć źródła efektywności komputerów kwantowych, jakościowo nowych maszyn liczących, zdolnych rozwiązywać niektóre problemy z szybkością nieosiągalną dla klasycznych komputerów – czytamy w komunikacie. « powrót do artykułu

Eksperci pracujący pod kierunkiem uczonych z UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science udowodnili, że za pomocą metod mechaniki kwantowej można stworzyć mechanizm kryptograficzny bazujący tylko i wyłącznie na fizycznej lokalizacji odbiorcy i nadawcy wiadomości. To ogromny postęp, gdyż eliminuje jedno z najpoważniejszych wyzwań kryptografii - bezpieczną dystrybucję kluczy kryptograficznych koniecznych do zapisania i odczytania informacji. Kryptografia opierająca się na lokalizacji zakłada wykorzystanie precyzyjnych danych o położeniu odbiorcy i nadawcy do stworzenia klucza kryptograficznego. Rozwiązanie takie ma tę olbrzymią zaletę, że daje pewność, iż wiadomość zostanie odebrana i odczytana tylko przez osobę, która znajduje się w określonym miejscu. Szef grupy badaczy Rafail Ostrovsky, profesor z UCLA mówi, że najważniejszym elementem nowej metody jest bezpieczna weryfikacja położenia geograficznego urządzeń nadawczo-odbiorczych. Dzięki niej mamy pewność, że np. informacja wysyłana do odległej bazy wojskowej zostanie odebrana tylko przez kogoś, kto się w tej bazie znajduje. Niezwykle ważne jest tutaj bezpieczne określenia położenia i to w taki sposób, żeby nie można było się pod to położenie podszyć oraz bezpieczna komunikacja z urządzeniem znajdującym się w tej konkretnej lokalizacji. Urządzenie jest uwiarygadniane przez swoje położenie. Stworzyliśmy metodę bezpiecznej komunikacji z urządzeniem w danej lokalizacji. Połączenie można nawiązać bez potrzeby wcześniejszego komunikowania się z tym urządzeniem - mówi Ostrovsky. Dotychczas sądzono, że wykorzystywana w łączności bezprzewodowej triangulacja oferuje odpowiedni poziom bezpieczeństwa. Jednak w ubiegłym roku badania prowadzone pod kierunkiem Ostrovsky'ego pokazały, że grupa osób jest w stanie oszukać wszelkie dotychczasowe systemy określania położenia. Najnowsze badania pokazały jednak, że wykorzystanie mechaniki kwantowej gwarantuje bezpieczne jednoznaczne określenie położenia, nawet wówczas, gdy mamy do czynienia z grupą próbującą oszukać systemy lokalizacji. Ostrovsky i jego zespół pokazali, że używając kwantowych bitów w miejsce bitów tradycyjnych, jesteśmy w stanie precyzyjnie określić lokalizację i zrobimy to w sposób bezpieczny. Jeśli nawet przeciwnik będzie próbował podszyć się pod naszą lokalizację, to mu się to nie uda. Jego urządzenia będą bowiem w stanie albo przechowywać przechwycony stan kwantowy, albo go wysłać. Nie mogą robić obu tych rzeczy jednocześnie. Wysyłając zatem kwantową wiadomość szyfrujemy ją na podstawie naszej lokalizacji, a odszyfrować może ją jedynie urządzenie znajdujące się w lokalizacji docelowej. W pracach Ostrovsky'ego brali udział jego studenci Nishanth Chandran i Ran Gelles oraz Serge Fehr z holenderskiego Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) i Vipul Goyal z Microsoft Research.

Od 100 lat naukowcy sprzeczają o interpretacje mechaniki kwantowej. Z jednej strony mamy interpretacje Bohra, Heisenberga i von Neumanna-Wignera, którzy uważali, że stan świadomości osoby przeprowadzającej testy wpływa na wyniki testów, z drugiej zaś strony Popper i Einstein twierdzili, że obiektywna rzeczywistość istnieje. Kwestię tę postanowili zbadać... fińscy urzędnicy państwowi – Jussi Lindgren i Jukka Liukkonen – którzy w wolnym czasie lubią rozważać zagadnienia z zakresu mechaniki kwantowej. Panowie przyjrzeli się zasadzie nieoznaczoności, ogłoszonej przez Heisenberga w 1927 roku. Zgodnie z tradycyjną interpretacją tej zasady, nie można jednocześnie precyzyjnie określić położenia i pędu, gdyż osoba dokonująca pomiarów zawsze wpływa na ich wynik. Jednak Lindgren i Liukkonen stwierdzili, że związek pomiędzy położeniem a pędem jest stały, a zatem rzeczywistość danego obiektu jest niezależna od osoby go badającej. W swojej pracy panowie wykorzystali stochastyczną optymalizację dynamiczną. Z tego punktu widzenia zasada nieoznaczoności Heisenberga jest manifestacją równowagi termodynamicznej, w której korelacja pomiędzy różnymi zmiennymi nie zanika. Stochastyczna optymalizacja dynamiczna była wykorzystywana m.in. do rozwiązania takich problemów, jak wysłanie rakiety z Ziemi na Księżyc. Uzyskane przez nas wyniki wskazują, że nie istnieje logiczny powód, dla którego wyniki miałyby być zależne od osoby przeprowadzającej pomiary. Nie istnieje nic, co sugerowałoby, że świadomość eksperymentatora zaburza wyniki czy kreuje rzeczywistość, mówi Lindgren. Interpretacja jest obiektywna i realna oraz tak prosta, jak to tylko możliwe. Lubimy jasne sytuacje i wolimy usunąć wszelki mistycyzm, dodaje Liukkonen. Lindgren i Liukkonen to urzędnicy państwowi, a nauka to ich hobby. Obaj należeli do klubu matematycznego w liceum w Kuopio, obaj mają za sobą studia podyplomowe. Liukkonen właśnie napisał pracę doktorską na temat endoskopii ultradźwiękowej i pracuje obecnie jako inspektor w fińskim Urzędzie Bezpieczeństwa Radiologicznego i Atomowego. « powrót do artykułu

Odkrycie dokonane przez uczonych z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB) daje nadzieję na wykorzystanie węgliku krzemu - materiału powszechnie używanego w elektronice - do stworzenia urządzeń obliczeniowych opierających się na mechanice kwantowej. Grupa pracująca pod kierunkiem Davida Awschaloma odkryła, że niedoskonałości w sieci krystalicznej węglika krzemu mogą być kontrolowane na poziomie kwantowym. Zwykle defekty w sieci krystalicznej są postrzegane jako niepożądane. W tradycyjnej elektronice takie niedoskonałości powodują spowolnienie pracy układu, gdyż elektrony zostają przez nie uwięzione. Naukowcy z UCSB odkryli, że sposób, w jaki elektrony zostały uwięzione pozwala na zainicjalizowanie stanów kwantowych, ich precyzyjną manipulację oraz pomiar. Operacje takie można przeprowadzić za pomocą światła i mikrofal. Zatem każdy z defektów spełnia wymogi stawiane przed qubitem. Szukamy piękna i możliwości wykorzystania niedoskonałości, zamiast starać się osiągnąć doskonałość. Używamy tych niedoskonałości jako podstawy dla przyszłej technologii kwantowej - powiedział Awschalom. Uczony wyjaśnia, że większość niedoskonałości w sieci krystalicznej nie posiada tak pożądanych cech, jakie odkryto w węgliku krzemu. Dotychczas znano tylko jeden typ takich niedoskonałości - występujący w diamencie ubytek dwóch atomów węgla i zastąpienia ich jednym atomem azotu. Miejsce po drugim atomie węgla pozostaje puste i ma ono takie właściwości, które pozwala wykorzystać je do zapisu kwantowych informacji w temperaturze pokojowej. Diament jest jednak materiałem, który trudno jest pozyskać i zintegrować z elektroniką. Tymczasem węglik krzemu jest materiałem dobrze znanym w przemyśle elektronicznym, a badania Awschaloma i jego zespoły wykazały, że dwa spośród licznych typów niedoskonałości pozwalają na uzyskanie efektów kwantowych w temperaturze pokojowej. Nie można wykluczyć, że podobnymi właściwościami charakteryzują się też inne materiały. Dotychczas bowiem nie zajęto się dokładnym zbadaniem niedoskonałości wielu z nich.

Z mechaniki kwantowej znamy pojęcie superpozycji, czyli dwóch różnych stanów lub pozycji jednocześnie przyjmowanych przez obiekt. Superpozycja to niezwykle delikatny stan, który może zostać "zniszczony" przez jakikolwiek kontakt ze światem zewnętrznym. Dlatego też zjawisko superpozycji występuje w fizyce kwantowej, ale nie obserwujemy go już w naszym świecie. Wiemy, że atomy czy kwanty mogą znajdować się superpozycji. Obecnie największymi obiektami, które udało się naukowcom wprowadzić w stan superpozycji są molekuły. Oriol Romero-Isar z Instytutu Maksa Plancka uważa jednak, że może wraz ze swoim zespołem wprowadzić w stan superpozycji niewielkie formy życia. Wcześniej jednak jako eksperymentalny model posłuży wirus grypy, gdyż jest on w stanie przetrwać w próżni, a więc można przeprowadzić eksperyment, nie obawiając się, że superpozycja zostanie zaburzona przez cząsteczki powietrza. Uczeni chcą użyć skrzyżowanych promieni dwóch laserów. W miejscu krzyżowania się światła powstaje "zagłębienie optyczne", w którym zostanie uwięziony wirus. Następnie, dzięki odpowiednio dobranej częstotliwości promieni, fotony będą absorbowały energię wibrującego wirusa z okolicy jego środka ciężkości tak długo, aż mikroorganizm znajdzie się w najniższym możliwym stanie energetycznym. Gdy już tak się stanie, będzie gotowy do przyjęcia superpozycji. Tę można uzyskać wysyłając foton w kierunku pułapki. Foton zostanie jednocześnie odbity od pułapki i trafi do niej, wprowadzając ją w superpozycję. To z kolei powinno spowodować, że uwięziony wirus będzie jednocześnie znajdował się w najniższym stanie energetycznym i jakimś wyższym stanie energetycznym. Opracowali naprawdę sprytny eksperyment i, jak sądzę, możliwy do przeprowadzenia - chwali swoich niemieckich kolegów Peter Knight z Imperial College London. Romero-Isart już spekuluje, że podobnemu eksperymentowi uda się poddać niesporczaki, bardzo małe zwierzęta wodne, które są w stanie przeżyć w bardzo niekorzystnych warunkach.

Lorenzo Maccone z MIT-u postanowił rozważyć jak ma się asymetria czasu z drugiej zasady termodynamiki do naszej wiedzy o świecie. Dyskusje takie były prowadzone już wcześniej, ale, jak zauważył fizyk Michael Weissman z University of Illinois at Urbana-Champaign, w bardzo nieformalny sposób. Maccone uczynił to systematycznie, co przydaje wagi jego argumentom. Żadne prawo fizyczne nie mówi, że czas ma przesuwać się tylko do przodu. Problem jednak w tym, że nigdy nie widzimy, by się cofał. Tymczasem najnowsze badania wskazują, że możemy mieć do czynienia z rodzajem amnezji mechaniki kwantowej - czas może się cofać, ale informacje o tym zdarzeniu nie są w żaden sposób przechowywane. Nasze pojmowanie czasu związane jest z drugą zasadą termodynamiki, z której wiemy, że każdy zamknięty system, który zmienia się w sposób spontaniczny, staje się coraz mniej uporządkowany. Jego entropia ciągle rośnie. Entropia znanych nam układów zmienia się w kierunku, który nazywamy przyszłością. Obserwowany kierunek zmian jest tylko jeden. Jednak rozważmy sytuację pudełka pełnego cząstek w świecie kwantowym. Splątanie tego systemu np. z obserwatorem, powoduje utratę informacji, czyli cząsteczek. Jednak w tym samym czasie obserwator zyskuje dodatkowe informacje o systemie. Na tej podstawie Lorenzo Maccone doszedł do wniosku, że konieczny wzrost entropii, a więc i ważność drugiej zasady termodynamiki, mogą być tylko złudzeniem w świecie mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa przewiduje, że czas może się cofać. Zdaniem Maccone szczegółowa analiza kwantowego świata pokazuje, iż jest to prawdą, jednak informacje o cofaniu się czasu zostają usunięte. W systemach, w których entropia się zmniejsza, informacja o tym, co zachodzi pomiędzy zdarzeniem a obserwatorem zostaje usunięta. Z tego też powodu nie jesteśmy w stanie dostrzec przypadków zmniejszania się entropii, a więc przypadków cofania się czasu. Innymi słowy, Maccone twierdzi, że możemy być świadkami sytuacji, w której rozbite jajko znowu jest całe, ale informacja o tym jest usuwana z naszych mózgów. Oczywiście, jak zauważa naukowiec, aby do takiej sytuacji doszło, prawa mechaniki kwantowej musiałyby działać w świecie makro. Jednak na to brakuje nam dowodów. Maccone jednak nie poddaje się i twierdzi, że jego interpretację da się obronić, jeśli przyjmiemy istnienie wielu światów równoległych. Każdy z nich byłby właściwy dla jednego możliwego stanu fizycznego. Sean Carroll z Caltechu zauważa, że rozważania Maccone są niekompletne, gdyż nie dają odpowiedzi na ważne pytanie - dlaczego wszechświat narodził się jako układ o bardzo małej entropii, a więc w stanie, który jest niezwykle mało prawdopodobny.

Akademicy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara poinformowali o dokonaniu przełomowego odkrycia na polu kwantowego kontrolowania fotonów. Ich prace mogą mieć olbrzymie znaczenie na drodze do stworzenia komputerów kwantowych. Fizycy Max Hofheinz, John Martinis i Andrew Cleland opisali w jaki sposób użyli nadprzewodzącego złącza Josephsona do przygotowania rzadko spotykanych stanów kwantowych za pomocą promieniowania mikrofalowego. Naukowcy zamknęli fotony w mikrofalowej pułapce, w której światło odbija się w tę i z powrotem. Już wcześniej w takich pułapkach zamykali do 15 fotonów. Teraz udowodnili, że jednocześnie mogą zamknąć tam różną ich liczbę (0, 3 i 6). Stan kwantowy takiej pułapki można zmierzyć licząc fotony. Jednak, zanim je policzymy, pułapka znajduje się w kwantowej superpozycji, co oznacza, że przechowywane są w niej wszystkie możliwe rozwiązania, czyli 0,3 i 6. Cleland wyjaśnia: "superpozycja to podstawowe pojęcie mechaniki kwantowej. Po raz pierwszy udało się ją osiągnąć w sposób kontrolowany dzięki światłu. Naszą pułapkę można opisać jako kwantowy konwerter sygnału cyfrowego do analogowego". Konwertery takie są podstawowymi elementami współczesnych systemów komunikacyjnych. Prace naukowców z UCSB dają zatem nadzieję na rozwój kwantowej telekomunikacji.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles stworzyli najmniejszą żarówkę na świecie. Jej drucik żarowy stanowi pojedyncza nanorurka o długości 100 atomów. Gołym okiem nie można go zobaczyć. Dopiero po zapaleniu żarówki zauważymy miniaturowe źródło światła. Miniaturowe urządzenie nie powstało jednak dla zabawy. Profesor Chris Regan i jego zespół stworzyli je, by zbadać zjawiska zachodzące na pograniczu termodynamiki i mechaniki kwantowej. Żarówka ma umożliwić przestudiowanie prawa Plancka, które opisuje emisję światła przez ciało doskonale czarne. Odnosi się ono do emisji z wielu obiektów, a naukowców szczególnie interesuje mikrofalowe promieniowanie tła, czyli pozostałość po Wielkim Wybuchu, również opisywane przez prawo Plancka. Żarnik miniaturowej żarówki składa się z mniej niż 20 milionów atomów. To wystarczająco dużo, by wyciągnąć istotne statystycznie wnioski na temat zachodzących zjawisk, a jednocześnie na tyle mało, że żarnik można uznać za urządzenie molekularne, a więc podlegające prawom mechaniki kwantowej. Naszym celem jest zbadanie, jak prawo Plancka ma się do miniaturowych obiektów. Te dwa tematy - emisja z ciała doskonale czarnego oraz skala nano - mieszczą się na pograniczu termodynamiki i mechaniki kwantowej, uważamy więc, że nasze urządzenie jest bardzo interesującym systemem do badania - stwierdził profesor Regan. Jako ciekawostkę można dodać, że żarnik miniaturowej żarówki jest bardzo podobny do tego, który znajdował się w żarówce Edisona. I tam żarnik składał się z węgla. Współczesny żarnik ma jednak objętość bilion razy mniejszą niż żarnik Edisona.