Splątanie czy kwantowa interferencja? – oto jest pytanie o fundament kwantowej rzeczywistości!
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Czym jest oddziaływanie i kiedy ono zachodzi? Intuicja podpowiada, że warunkiem koniecznym do zajścia oddziaływania niezależnie powstałych cząstek jest ich bezpośrednie spotkanie lub kontakt przez fizycznych pośredników. W mechanice kwantowej wynikiem oddziaływania jest splątanie, czyli pojawienie się nieklasycznych korelacji w układzie. Okazuje się, że teoria kwantów pozwala splątać niezależne cząstki bez konieczności ich kontaktu. Za to zjawisko odpowiedzialna jest fundamentalna identyczność cząstek tego samego rodzaju.
Całość to więcej niż suma jej składników – Arystoteles (Metafizyka, księga VIII)
Mechanika kwantowa jest obecnie najlepszą, najdokładniejszą i najbardziej wyrafinowaną teorią stosowaną̨ przez fizyków do opisu otaczającego nas świata. Niemniej jednak jej charakterystyczną cechą jest abstrakcyjny język matematyczny notorycznie prowadzący do istotnych problemów interpretacyjnych. Obraz rzeczywistości proponowany przez tę teorię wciąż stanowi przedmiot naukowego sporu, który, zamiast wygasać wraz z upływem czasu, staje się coraz gorętszy i bardziej interesujący.
Nowej motywacji i intrygujących pytań dostarcza świeże spojrzenie z perspektywy kwantowej informacji oraz ogromny rozwój technik doświadczalnych. Pozwala to na weryfikację wniosków płynących z subtelnych eksperymentów myślowych bezpośrednio związanych z problemem jej interpretacji. Co więcej, stajemy się obecnie świadkami wielkiego praktycznego postępu w dziedzinie kwantowej komunikacji oraz technologii komputerów kwantowych, który w sposób istotny czerpie z nieklasycznych zasobów oferowanych przez mechanikę kwantową.
Celem badań prowadzonych przez dr. hab. Pawła Błasiaka z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie oraz dr. Marcina Markiewicza z Uniwersytetu Gdańskiego jest analiza szeroko akceptowanych paradygmatów oraz koncepcji teoretycznych dotyczących interpretacji i podstaw mechaniki kwantowej. Badacze starają się znaleźć odpowiedź na pytanie, w jakim stopniu intuicje stosowane do opisu procesów kwantowo-mechanicznych znajdują uzasadnienie w ramach realistycznego obrazu świata.
W tym celu za pomocą języka matematyki próbują doprecyzować określone idee teoretyczne, nierzadko funkcjonujące w formie ulotnych intuicji. Takie podejście owocuje niejednokrotnie pojawieniem się inspirujących poznawczo paradoksów. Oczywiście im bardziej podstawowa koncepcja, której dotyczy dany paradoks, tym lepiej, ponieważ w większym stopniu otwiera nowe drzwi do głębszego zrozumienia danego zagadnienia.
W tym duchu obaj naukowcy postanowili rozważyć fundamentalne pytanie: czym jest oddziaływanie i kiedy ono zachodzi? W mechanice kwantowej wynikiem oddziaływania jest splątanie, czyli pojawienie się nieklasycznych korelacji w układzie. Wyobraźmy sobie dwie cząstki powstałe niezależnie w odległych galaktykach. Wydawałoby się, że warunkiem koniecznym do pojawienia się ich oddziaływania jest wymaganie, aby w pewnym momencie ich ewolucji doszło między nimi do bezpośredniego spotkania bądź pośredniego kontaktu poprzez inną cząstkę lub fizyczne pole, które to oddziaływanie mogłoby przekazać. Jak bowiem inaczej mogą one nawiązać ową tajemniczą więź, jaką jest kwantowe splątanie? Paradoksalnie okazuje się jednak, że jest to możliwe. Mechanika kwantowa pozwala na zaistnienie splątania bez konieczności jakiegokolwiek, nawet pośredniego, kontaktu.
Aby uzasadnić tak zaskakującą tezę, należy przedstawić schemat, w którym cząstki wykażą nielokalne korelacje na odległość (w eksperymencie typu Bella). Subtelność owego podejścia polega na tym, aby po drodze wykluczyć możliwość zajścia oddziaływania rozumianego jako kontakt. Schemat taki powinien być również bardzo oszczędny, to znaczy musi wykluczać obecność pośredników, którzy owo oddziaływanie mogliby przekazać (fizyczne pole lub cząstki pośredniczące). Błasiak i Markiewicz pokazali, w jaki sposób można tego dokonać, wychodząc z oryginalnych rozważań Yurke’a i Stolera, które zreinterpretowali jako zwykłą permutację ścieżek cząstek pochodzących z różnych źródeł. Takie nowe spojrzenie pozwala generować dowolne stany splątane dwóch i trzech cząstek, unikając ich kontaktu. Zaproponowane podejście można bez trudu rozszerzyć na większą liczbę cząstek.
W jaki sposób możliwe jest splątanie niezależnych cząstek na odległość bez ich oddziaływania? Podpowiedzi udziela sama mechanika kwantowa, w której postuluje się identyczność, czyli fundamentalną nierozróżnialność wszystkich cząstek tego samego rodzaju. Oznacza to, że na przykład wszystkie fotony (jak również inne cząstki elementarne) w całym Wszechświecie są takie same, niezależnie od dzielącej je odległości. Z formalnego punktu widzenia sprowadza się to do symetryzacji funkcji falowej dla bozonów lub jej antysymetryzacji dla fermionów.
Efekty związane z identycznością są zazwyczaj kojarzone ze statystyką cząstek, która ma konsekwencje w opisie oddziałujących układów wielocząstkowych (takich jak kondensat Bosego-Einsteina lub teoria pasmowa w ciele stałym). W przypadku prostszych układów bezpośrednim skutkiem identyczności jest zakaz Pauliego dla fermionów lub grupowanie w optyce kwantowej dla bozonów. Wspólną cechą wszystkich tych efektów jest kontakt cząstek w jednym punkcie przestrzeni, co jest zgodne z prostą intuicją oddziaływania (na przykład w teorii cząstek mówi się wprost o wierzchołkach oddziaływania). Stąd bierze się przekonanie, że konsekwencje symetryzacji można obserwować wyłącznie w ten sposób. Jednak oddziaływanie z samej swej natury powoduje splątanie.
Dlatego nie jest jasne, co jest faktyczną przyczyną obserwowanych efektów i nieklasycznych korelacji: czy jest to oddziaływanie samo w sobie, czy może pierwotna nierozróżnialność cząstek? W zaproponowanym przez obu naukowców schemacie omija się tę trudność, eliminując oddziaływanie, do którego mogłoby dojść przez jakikolwiek kontakt. Stąd wniosek, że nieklasyczne korelacje są bezpośrednią konsekwencją postulatu identyczności cząstek. Znaleziono zatem sposób na czystą aktywację splątania pochodzącego od ich fundamentalnej nierozróżnialności.
Tego typu spojrzenie, wychodzące od pytań dotyczących podstaw mechaniki kwantowej, może mieć praktyczne zastosowanie do generowania stanów splątanych dla technologii kwantowych. W artykule pokazano, jak wytworzyć dowolny stan splątany dwóch i trzech kubitów, a pomysły te są już implementowane eksperymentalnie. Wydaje się, że rozważane schematy można z powodzeniem rozszerzyć do tworzenia dowolnych stanów splątanych dla wielu cząstek. W ramach dalszych badań obaj naukowcy zamierzają poddać głębszej analizie postulat cząstek identycznych, zarówno z punktu widzenia interpretacji teoretycznej, jak i zastosowań praktycznych.
Dużym zaskoczeniem może być fakt, że postulat nierozróżnialności cząstek nie jest tylko formalnym zabiegiem matematycznym, lecz w swojej czystej formie prowadzi do konsekwencji obserwowanych w laboratoriach. Czy zatem nielokalność stanowi nieodłączną cechę wszystkich identycznych cząstek we Wszechświecie? Foton emitowany przez ekran tego monitora oraz foton pochodzący z odległej galaktyki na krańcach Wszechświata wydają się być splątane tylko i wyłącznie przez swoją identyczną tożsamość. Stanowi to wielką tajemnicę, z którą nauce niebawem przyjdzie się zmierzyć.
Szczegóły pracy doktorów Błasiaka i Markiewicza zostały opisane na łamach Nature.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z California Institute of Technology (Caltech) we współpracy z uczonymi z Uniwersytetu Wiedeńskiego po raz pierwszy w historii schłodzili za pomocą lasera miniaturowy obiekt mechaniczny do najniższego możliwego stanu energetycznego. Osiągnięcie to umożliwi przeprowadzenie w przyszłości eksperymentów, które dotychczas nie były możliwe.
Użyliśmy światła do wprowadzenia masywnego systemu mechanicznego - składającego się z miliardów atomów- w stan, w którym zachowuje się on zgodnie z prawami mechaniki kwantowej. W przeszłości można było tego dokonać tylko w przypadku pojedynczych jonów i atomów schwytanych w pułapki - powiedział główny autor badań, profesor Oskar Painter.
Uczony i jego zespół najpierw stworzyli bardzo precyzyjną krzemową belkę o długości liczonej w mikrometrach i dobrali częstotliwość światła laserowego tak, by mogło ono dotrzeć do systemu i, po odbiciu, odebrać zeń energię cieplną. Dzięki niezwykłej precyzji wykonania każdego elementu oraz osłony izolującej całość od wpływów środowiska doprowadzili system do stanu podstawowego, w którym drgania mechaniczne są zredukowane do absolutnego minimum. W takim stanie można wykryć bardzo niewielkie siły i masy oddziałujące na system. Zwykle ich obecność jest maskowana drganiami.
Nasz eksperyment otwiera drogę do przeprowadzenia bardzo interesujących badań z zakresu mechaniki kwantowej - stwierdził profesor Painter. Pozwoli to np. na sprawdzenie czy systemy mechaniczne mogą zostać wprowadzone w stan splątania kwantowego.
Aby osiągnąć stan podstawowy, konieczne było schłodzenie belki do temperatury poniżej 100 milikelwinów. Dopiero wówczas udałoby się usunąć „szum" w postaci fononów, które w olbrzymiej ilości są tworzone w temperaturze pokojowej.
Tradycyjne metody kriogeniczne mogły się nie sprawdzić, gdyż po pierwsze wymagają użycia bardzo drogiego sprzętu, a po drugie, nie można ich zastosować w każdym przypadku.
Postanowiliśmy użyć fotonów do usunięcia fononów z systemu - powiedział Jasper Chan, jeden z naukowców biorących udział w eksperymencie. Uczeni wywiercili w krzemowej belce otwory, które po potraktowaniu światłem o określonej długości fali, zadziałały jak pułapki, w które złapało się światło. Doszło wówczas do silnej interakcji światła z drganiami mechanicznymi.
Jako, że przesunięcie w częstotliwości światła jest wprost związane z ruchem termicznym obiektu, to światło, gdy już wydostanie się z pułapki, zabiera ze sobą takie informacje o systemie mechanicznym jak np. ruch i temperatura. W ten sposób powstał przetwornik optomechaniczny, który zamieniał informacje o systemie mechanicznym w światło.
Taki przetwornik może zostać wykorzystany do łączenia różnych systemów kwantowych.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Fizycy z Narodowych Instytutów Standardów i Technologii (NIST) jako pierwsi w historii doprowadzili do splątania dwóch jonów za pomocą mikrofal. Dotychczas w tym celu wykorzystywano lasery.
Prace te pokazują, że w przyszłości możliwe będzie zastąpienie wielkich systemów laserowych niewielkimi źródłami mikrofal, takimi jak np. wykorzystywane w telefonach komórkowych.
Mikrofale już wcześniej były używane do manipulowania jonami, jednak teraz, dzięki umieszczeniu źródła ich emisji bardzo blisko jonów, w odległości zaledwie 30 mikrometrów, udało się uzyskać splątanie atomów. Możliwość splątywania cząsteczek to jeden z podstawowych warunków transportu informacji i korekcji błędów w przyszłych komputerach kwantowych.
Podczas swoich prac naukowcy wykorzystali źródło mikrofal umieszczone w układzie scalonym zintegrowane z pułapką jonową oraz stołowy zestaw laserów, luster i soczewek. Zestaw ten jest dziesięciokrotnie mniejszy niż dotychczas wykorzystywane. Użycie ultrafioletowego lasera o niskiej mocy wciąż jest koniecznością, gdyż za jego pomocą chłodzi się jony i obserwuje wyniki badań. Jednak w przyszłości cały zespół lasera można będzie zminiaturyzować do rozmiarów laserów używanych np. w odtwarzaczach DVD.
Możliwe, że średniej wielkości komputer kwantowy będzie przypominał telefon komórkowy połączony z urządzeniem podobnym do laserowego wskaźnika, a zaawansowane maszyny będą wielkości współczesnego peceta - mówi fizyk Dietrich Leibfried, współautor badań. Chociaż kwantowe komputery raczej nie będą urządzeniami, które każdy będzie chciał nosić przy sobie, to będą mogły używać elektroniki podobnej do tej, jaka jest obecnie wykorzystywana w smartfonach do generowania mikrofal. Podzespoły takie są dobrze znane i już obecne na rynku. Taka perspektywa bardzo nas ekscytuje - dodaje uczony.
W czasie eksperymentów dwa jony zostały złapane w elektromagnetyczną pułapkę. Nad pułapką znajdował się układ scalony zawierający elektrody z azotku glinu pokrytego złotem. Elektrody były aktywowane, by wywołać impulsy promieniowania mikrofalowego oscylujące wokół jonów. Ich częstotliwość wahała się od 1 do 2 gigaherców. Mikrofale doprowadziły do powstania pola magnetycznego, które z kolei wywołało rotację spinów. Jeśli moc takiego pola magnetycznego jest w odpowiedni sposób zwiększana, można doprowadzić do splątania jonów. Metodą prób i błędów, wykorzystując przy tym zestaw trzech elektrod, udało się uczonym odnaleźć właściwy sposób manipulowania polem magnetycznym i doprowadzić do splątania.
Wykorzystanie mikrofal w miejsce laserów ma i tę zaletę, że zmniejsza liczbę błędów, które są powodowane niestabilnościami w promieniu lasera oraz zapobiega pojawieniu się w jonach spontanicznej emisji wywoływanej światłem laserowym. Jednak technika mikrofalowego splątania musi zostać jeszcze udoskonalona. Uczonym z NIST udało się uzyskać splątanie w 76% przypadków. Tymczasem za pomocą lasera uzyskuje się wynik rzędu 99,3 procenta.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Uzyskanie fotonowych "trojaczków" to duży przełom na polu optyki kwantowej, który wpłynie też na prace nad komputerami kwantowymi.
W przeszłości uzyskanie par fotonów zrewolucjonizowało optykę kwantową i umożliwiło postanie kwantowej kryptografii oraz dało nadzieję na zaprzęgnięcie fotonów do obliczeń.
Teraz Thomas Jennewein, Hannes Hubel, Deny Hamel, Kevin Resch z kanadyjskiego University of Waterloo, Alessandro Fedrizzi z University of Queensland w Australii oraz Sven Ramelow z Austriackiej Akademii Nauk uzyskali trzy powiązane ze sobą fotony.
Pary fotonów otrzymuje się po przepuszczeniu silnego światła laserowego przez kryształ. Foton padający na kryształ zostaje przekształcony w splecioną parę fotonów. Obecnie naukowcy dodali kolejny etap, przepuszczając jeden z fotonów przez kolejny kryształ, uzyskując dodatkowy foton. W ten sposób powstały trzy fotony, które były ze sobą splątane, gdyż początek im dał ten sam foton.
Najnowsze osiągnięcie naukowe umożliwi przeprowadzenie zupełnie nowych eksperymentów i pozwoli zbadać niedostępne dotychczas zjawiska kwantowe.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Joint Quantum Institute oraz University of Maryland stworzyli "kwantowe obrazki", pary bogatych w informacje wzorców, których właściwości były ze sobą splątane. To, co pozornie wygląda na zabawę, może w przyszłości posłużyć do przechowywania danych w kwantowych komputerach czy bezpiecznego przesyłania informacji. Obrazki tworzą identyczne pary i są ze sobą splątane. Oznacza to, że, mimo iż nie są ze sobą fizycznie połączone, każda zmiana w jednym z nich wywołuje identyczną zmianę w drugim.
Obrazy zawsze były preferowaną metodą komunikacji, ponieważ niosą ze sobą olbrzymią ilość informacji. Dotychczas urządzenia bazujące na optycznych technologiach tworzenia obrazu (np. aparaty), pomijały dużą część użytecznych danych. Dzięki obrazom korzystającym z praw mechaniki kwantowej możemy stworzyć lepsze rozwiązania nie tylko w dziedzinie tworzenia obrazów trudnych do zobaczenia obiektów, ale także w obszarach dotyczących przechowywania danych w komputerach kwantowych przyszłości - mówi Vincent Boyer, jeden z autorów badań.
Do stworzenia obrazów naukowcy użyli technologii mieszania czterofalowego. Powoduje ono, jak czytamy w opracowaniu Jana i Jakuba Lamperskich oraz Zbigniewa Szymańskiego z Politechniki Poznańskiej wzbogacenie się widma propagowanego sygnału o nowe składowe wynikające z odpowiednich spełniających zasadę zachowania energii, kombinacji sum i różnic pierwotnych częstotliwości.
W swoim eksperymencie Amerykanie użyli dwóch wiązek światła. Jedna z nich, próbkująca, przeszła najpierw przez matrycę z przygotowanym wcześniej obrazem. Następnie została skierowana do komórki z atomami rubidu w stanie gazowym. Tam napotkała na silną "pompującą" wiązkę światła.
Atomy gazu reagowały ze światłem, absorbując jego energię i emitując wzmocnioną wersję pierwotnego obrazu. Ponadto powstał też drugi, bliźniaczy obraz splątany z pierwszym i obrócony o 180 stopni. Różnił się też on nieco kolorem od oryginału. Każdy piksel w jednym obrazku, miał swojego odpowiednika w drugim. Piksele, które były ze sobą splątane, podlegały identycznym fluktuacjom. Innymi słowy, obserwując zmiany zachodzące z czasem w jednym z obrazków, można było powiedzieć, jak zmienił się drugi.
Naukowców najbardziej zaskoczyło to, jak łatwo udało im się uzyskać kwantowe obrazki. Wcześniej uczeni musieli je składać foton po fotonie. Teraz mogą uzyskać je znacznie szybciej, łatwiej i taniej.
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.