Kvanttimaailmassa löydetyt nopeusrajoitukset

Jos kvanttiteoria on oikea, niin siitäkvanttihiukkasia kuten atomeja, voit odottaa hyvin outoa käyttäytymistä. Mutta huolimatta kaaoksesta, jonka kvanttifysiikka saattaa tuntua, tällä hämmästyttävällä pienhiukkasten maailmalla on omat lait. Äskettäin Bonnin yliopiston tutkijaryhmä pystyi todistamaan, että kvanttimaailmassa - monimutkaisten kvanttioperaatioiden tasolla - on nopeusrajoitus. Atomit, jotka ovat pieniä, jakamattomia hiukkasia, muistuttavat tavallaan samppanjan kuplia lasissa. Niitä voidaan kuvata aineen aaltoina, mutta heidän käyttäytymisensä muistuttaa enemmän biljardipalloa kuin nestettä. Jokaisen, joka keksii ajatuksen siirtää atomin nopeasti paikasta toiseen, tulisi toimia tietämyksellä ja kätevyydellä kuin kokenut tarjoilija juhlahuoneessa - ilman, että pudotat samppanjaa kymmenestä lasista tarjottimelle pöydän välissä. Silti kokeilijalle asetetaan tietty nopeusrajoitus - raja, jota ei voida ylittää. Tutkimuksen aikana saadut tulokset ovat tärkeitä kvanttitietokoneiden toiminnalle, ja tämä alue, kuten rakas lukija todennäköisesti tietää, on kehittynyt aktiivisesti viime vuosina.

Kvanttifysiikka on kiehtova, koska se sisältää jonkin verran mysteeriä.

Nopeuden rajoittaminen cesiumatomin esimerkillä

Physical-lehdessä julkaistussa tutkimuksessaKatsaus X, fyysikot pystyivät kokeellisesti todistamaan nopeusrajoituksen monimutkaisissa kvanttioperaatioissa. Työn aikana tutkijat Bonnin yliopistosta sekä fyysikot Massachusettsin teknillisestä instituutista (MIT), Julichin tutkimuskeskuksesta, Hampurin, Kölnin ja Padovan yliopistoista saivat kokeellisesti selville, missä rajoitus on.

Tätä varten tieteellisen työn kirjoittajat ottivat cesiumatominja ohjasi kaksi täysin päällekkäin olevaa lasersädettä toisiaan vastaan. Tutkimuksen tavoitteena oli toimittaa cesiumatomi mahdollisimman nopeasti oikeaan paikkaan, jotta atomi ei "putoa" nimetystä "laaksosta" kuin tippa samppanjaa lasista. Tätä fysiikan päällekkäisyyttä kutsutaan päätelmäksi, se luo pysyvän valoaallon, joka muistuttaa alun perin kiinteää "vuorten" ja "laaksojen" sarjaa. Kokeen aikana fyysikot ladasivat cesiumatomin johonkin näistä "laaksoista" ja asettivat sitten liikkeelle seisovan valon aallon, joka syrjäytti "laakson" asennon.

Pysyvä sähkömagneettinen aalto - sähköisten ja magneettikenttien voimakkuuden amplitudin säännöllinen muutos etenemissuunnassa tapahtuman ja heijastuneiden aaltojen häiriöiden aiheuttamana.

Tutkimuksen tekijä Manolo Rivera Lam (vasemmalla) ja pääkirjoittaja Dr. Andrea Alberti (oikealla) Bonnin yliopiston soveltavan fysiikan instituutista. yliopisto.

Itse se tosiasia, että mikrokosmos on olemassanopeuden rajoitus, teoreettisesti osoitti yli 60 vuotta sitten kaksi Neuvostoliiton fyysikkoa Leonid Mandelstam ja Igor Tamm. He osoittivat, että kvanttitoimintojen suurin nopeus riippuu energian epävarmuudesta, ts. Siitä, kuinka "vapaa" manipuloitu hiukkanen on suhteessa sen mahdollisiin energiatiloihin: mitä enemmän sillä on energiavapautta, sitä nopeampi se on. Esimerkiksi cesiumatomin kuljettamisen tapauksessa, mitä syvemmälle "laakso", johon atomi putoaa, jakautuu enemmän kvanttitilojen energioita "laaksoon", ja lopulta sitä nopeammin atomi voidaan siirtää.

Jotain vastaavaa voidaan nähdä tarkkailemallatarjoilijalle ravintolassa: jos hän täyttää lasit puoliväliin (vieraan pyynnöstä), samppanjan vuotamisen mahdollisuudet vähenevät huolimatta nopeudesta, jolla tarjoilija kaataa juoman. Yhden hiukkasen energiavapautta ei kuitenkaan voida yksinkertaisesti ottaa ja lisätä. "Emme voi tehdä" laaksostamme "äärettömän syvää, koska se vie liikaa energiaa", tutkimuksen kirjoittajat kirjoittavat.

Voit aina olla tietoinen uusimmista fysiikan ja korkean teknologian tieteellisistä löydöistä tilaamalla uutiskanavamme Telegramiin!

Uusia tuloksia tieteelle

Mandelstamin ehdottama nopeusrajoitusja Tamm perustavanlaatuinen. Se voidaan kuitenkin saavuttaa tietyissä olosuhteissa, nimittäin järjestelmissä, joissa on vain kaksi mahdollista kvanttitilaa. Esimerkiksi tässä tutkimuksessa tämä tapahtui, kun lähtö- ja kohdepiste olivat erittäin lähellä toisiaan. ”Sitten molemmissa paikoissa olevat atomiaineen aallot asetetaan päällekkäin, ja atomi voidaan viedä suoraan määränpäähän yhdellä kertaa eli ilman välipysähdyksiä. Tämä on samanlainen kuin teleportointi Star Trekissä, tutkimuksen kirjoittajat kertoivat Phys.orgille.

Ja silti, tilanne muuttuu, kun etäisyyslähtö- ja määränpään välillä se nousee useisiin kymmeniin aineen aallon arvoihin, kuten Bonnin yliopiston tutkijoiden kokeessa. Tällaisilla etäisyyksillä suora teleportointi on mahdotonta. Teleportoinnin sijaan määränpäähän pääsemiseksi hiukkasen on kuljettava useita välimatkoja: ja tilanne on täällä kaksitasolta monitasolle.

Katso myös: Voiko kvanttimekaniikka selittää avaruusajan olemassaolon?

Atomien maailmassa on omat lait, jotka ovat usein käsittämättömiä ja huomaamattomia ulkopuoliselle tarkkailijalle.

Tutkimuksen tulokset osoittivat, että sellainenprosesseissa sovelletaan alhaisempaa nopeusrajoitusta kuin sovitut Neuvostoliiton tutkijat: sen määrää energian epävarmuuden lisäksi myös välitilojen määrä. Kaikki yllä oleva tarkoittaa sitä uusi tutkimus parantaa teoreettista käsitystä monimutkaisista kvanttiprosesseista ja rajoituksista.

Atomit ja kvanttitietokoneet

Kuten fyysikot huomauttavat, saadut tuloksetsovellettavissa kvanttitietokoneiden alalla. Tämä johtuu siitä, että suoritettu koe on omistettu atomin siirtämiselle, ja samanlaisia ​​prosesseja tapahtuu kvanttitietokoneessa. Kun atomit toteuttavat kvanttibitit, ne on siirrettävä prosessorin yhdeltä alueelta toiselle. Juuri tämä prosessi on tehtävä hyvin nopeasti, muuten kaikki sen johdonmukaisuus katoaa. Kvanttinopeusrajoituksen ansiosta on nyt mahdollista ennustaa tarkasti, mikä nopeus on teoreettisesti mahdollista.

Tältä näyttää IBM: n 50-kvittinen kvanttitietokone.

Kvanttitietokoneiden osaltatulokset eivät edusta laskennanopeuden rajoitusta. Se, että kvanttitietokone voi laskea niin nopeasti, ei liity ensisijaisesti kestoon sinänsä, vaan pikemminkin operaatioiden määrään. Kvanttitietokone tarvitsee paljon vähemmän toimintoja tietyn tehtävän suorittamiseen kuin perinteinen tietokone. Kvanttitietokoneella laskeminen on kuin löytää tie ulos sokkelosta tarvitsematta jatkuvasti tarkistaa kaikkia mahdollisia polkuja. Juuri tässä kiihtyvyys on: kvanttitietokone on lähetettävä sokkelon läpi vain kerran, kun taas klassisen tietokoneen kanssa sinun on kokeiltava erittäin paljon vaihtoehtoja yksi toisensa jälkeen.

Sinua kiinnostaa: Kiinassa luotiin kvanttitietokone, joka ratkaisi vaikeimman ongelman 200 sekunnissa

Tutkimuksen johtaja AndreaAlberti, tässä mielessä ei ole vaikutuksia kvanttitietokoneen laskentatehoon. Mutta kvanttinopeusrajoitus on mielenkiintoinen toisesta syystä - löydetty raja osoittaa, että on mahdollista suorittaa paljon suurempi määrä toimintoja kuin aiemmin ajateltiin.