Za Tým: Fyzik Povedal, Ako Obísť Zákony Kvantovej Mechaniky - Alternatívny Pohľad

Obsah:

Za Tým: Fyzik Povedal, Ako Obísť Zákony Kvantovej Mechaniky - Alternatívny Pohľad
Za Tým: Fyzik Povedal, Ako Obísť Zákony Kvantovej Mechaniky - Alternatívny Pohľad

Video: Za Tým: Fyzik Povedal, Ako Obísť Zákony Kvantovej Mechaniky - Alternatívny Pohľad

Video: Za Tým: Fyzik Povedal, Ako Obísť Zákony Kvantovej Mechaniky - Alternatívny Pohľad
Video: Život ve fyzikálním světě-KVANTOVÉ MYŠLENÍ, REALITA nebo MATRIX (CZ DABING) 2024, Marec
Anonim

Profesor fyziky na Niels Bohr Institute v Kodani, jeden z priekopníkov kvantovej teleportácie, Eugene Polzik, vysvetlil RIA Novosti, kde je hranica medzi „skutočným“a „kvantovým“svetom, prečo človek nemôže byť teleportovaný a ako sa mu podarilo vytvoriť hmotu s „negatívnou masou“.

Pred piatimi rokmi jeho tím prvýkrát realizoval experiment na teleportovanie nie jedného atómu alebo častice svetla, ale makroskopického objektu.

Nedávno predsedal Medzinárodnej poradnej rade Ruského kvantového centra (RQC), pričom nahradil Michaila Lukina, tvorcu jedného z najväčších kvantových počítačov na svete a svetového lídra v oblasti kvantového počítania. Podľa profesora Polzika sa zameria na rozvoj a realizáciu intelektuálneho potenciálu mladých ruských vedcov a posilnenie medzinárodnej účasti na práci RCC.

„Eugene, bude niekedy ľudstvo schopné teleportovať viac ako jednotlivé častice alebo súbor atómov alebo iných makroskopických objektov?

- Nevieš, ako často sa ma táto otázka pýta - ďakujem, že si sa ma nepýtal, či je možné teleportovať osobu. Vo všeobecnosti je situácia takáto.

Vesmír je obrovský objekt zapletený na kvantovej úrovni. Problém je v tom, že nie sme schopní „vidieť“všetky stupne slobody tohto objektu. Ak v takomto systéme vezmeme veľký objekt a pokúsime sa ho vziať do úvahy, vzájomné pôsobenie tohto objektu s inými časťami sveta povedie k tomu, čo sa nazýva „zmiešaný stav“, v ktorom nie je žiadne zapletenie.

V kvantovom svete funguje takzvaný princíp monogamie. Vyjadruje sa to v skutočnosti, že ak máme dva ideálne zapletené objekty, potom oba nemôžu mať rovnaké silné „neviditeľné spojenie“s akýmikoľvek inými objektmi okolitého sveta, ako medzi sebou.

Eugene Polzik, profesor inštitútu Niels Bohr v Kodani a vedúci medzinárodnej poradnej rady RCC. Foto: RCC
Eugene Polzik, profesor inštitútu Niels Bohr v Kodani a vedúci medzinárodnej poradnej rady RCC. Foto: RCC

Eugene Polzik, profesor inštitútu Niels Bohr v Kodani a vedúci medzinárodnej poradnej rady RCC. Foto: RCC.

Propagačné video:

Ak sa vrátime k otázke kvantovej teleportácie, znamená to, že v zásade nám nič nebráni v tom, aby sme zamieňali a teleportovali objekt s veľkosťou aspoň celého vesmíru, ale v praxi nám to zabráni vidieť všetky tieto spojenia súčasne. Preto musíme pri vykonávaní týchto experimentov izolovať makro objekty od zvyšku sveta a umožniť im interakciu iba s „potrebnými“objektmi.

Napríklad v našich experimentoch to bolo možné dosiahnuť pre cloud obsahujúci bilióny atómov, pretože boli vo vákuu a držali sa v špeciálnej pasci, ktorá ich izolovala od vonkajšieho sveta. Mimochodom, tieto kamery boli vyvinuté v Rusku - v laboratóriu Michala Balabasa na Štátnej univerzite v Petrohrade.

Neskôr sme sa presunuli k pokusom na väčších objektoch, ktoré je možné vidieť voľným okom. A teraz robíme experiment na teleportáciu vibrácií vznikajúcich v tenkých membránach vyrobených z dielektrických materiálov merajúcich milimeter po milimeter.

Na druhej strane sa osobne viac zaujímam o ďalšie oblasti kvantovej fyziky, v ktorých sa podľa môjho názoru v blízkej budúcnosti objavia skutočné objavy. Určite každého prekvapia.

Kde presne?

- Všetci dobre vieme, že kvantová mechanika nám neumožňuje vedieť všetko, čo sa deje vo svete okolo nás. Kvôli Heisenbergovmu princípu neurčitosti nemôžeme súčasne merať všetky vlastnosti objektov s najvyššou možnou presnosťou. A v tomto prípade sa teleportácia zmení na nástroj, ktorý nám umožňuje obísť toto obmedzenie a prenášať nie čiastočné informácie o stave objektu, ale celý objekt samotný.

Rovnaké zákony kvantového sveta nám bránia v presnom meraní trajektórie pohybu atómov, elektrónov a iných častíc, pretože je možné zistiť buď presnú rýchlosť ich pohybu alebo ich polohu. V praxi to znamená, že presnosť všetkých druhov senzorov tlaku, pohybu a zrýchlenia je prísne obmedzená kvantovou mechanikou.

Nedávno sme si uvedomili, že to tak nie je vždy: všetko záleží na tom, čo máme na mysli pod pojmom „rýchlosť“a „poloha“. Ak napríklad pri takýchto meraniach nepoužívame klasické súradnicové systémy, ale ich kvantové náprotivky, tieto problémy zmiznú.

Inými slovami, v klasickom systéme sa snažíme určiť polohu konkrétnej častice vo vzťahu k, zhruba povedané, k stolu, stoličke alebo nejakému inému referenčnému bodu. V kvantovom súradnicovom systéme bude nula ďalším kvantovým objektom, s ktorým interaguje systém záujmu, ktorý nás zaujíma.

Ukázalo sa, že kvantová mechanika umožňuje zmerať oba parametre - rýchlosť pohybu aj trajektóriu - s nekonečne vysokou presnosťou pre určitú kombináciu vlastností referenčného bodu. Čo je táto kombinácia? Mrak atómov slúžiaci ako nula kvantového súradnicového systému musí mať účinnú zápornú hmotnosť.

V skutočnosti tieto atómy samozrejme nemajú „problémy s hmotnosťou“, ale správajú sa, akoby mali negatívnu hmotu, pretože sú umiestnené vo vzťahu k sebe špeciálnym spôsobom a boli vo vnútri špeciálneho magnetického poľa. V našom prípade to vedie k tomu, že zrýchlenie častice klesá, ale nezvyšuje jeho energiu, čo je z hľadiska klasickej jadrovej fyziky absurdné.

To nám pomáha zbaviť sa náhodných zmien polohy častíc alebo ich rýchlosti pohybu, ku ktorým dochádza pri meraní ich vlastností pomocou laserov alebo iných zdrojov fotónov. Ak umiestnime oblak atómov s „negatívnou hmotnosťou“do dráhy tohto lúča, potom s nimi najskôr interaguje, potom preletí skúmaným objektom, tieto náhodné poruchy sa navzájom eliminujú a budeme schopní merať všetky parametre s nekonečne vysokou presnosťou.

To všetko zďaleka nie je teória - pred niekoľkými mesiacmi sme tieto nápady experimentálne testovali a výsledok sme uverejnili v časopise Nature.

Existujú nejaké praktické spôsoby použitia?

- Pred rokom som už v Moskve povedal, že podobný princíp „odstránenia“kvantovej neistoty sa môže použiť na zlepšenie presnosti práce LIGO a iných gravitačných observatórií.

Potom to bol len nápad, ale teraz sa začal formovať. Na jeho implementácii pracujeme spolu s jedným z priekopníkov kvantových meraní a účastníkom projektu LIGO, profesora Farida Khaliliho z RCC a Moskovskej štátnej univerzity.

Samozrejme, nehovoríme o inštalácii takéhoto systému na samotný detektor - je to veľmi komplikovaný a časovo náročný proces a samotný LIGO má plány, do ktorých sa jednoducho nemôžeme dostať. Na druhej strane sa už zaujímajú o naše nápady a sú pripravení nás ďalej počúvať.

V každom prípade musíte najskôr vytvoriť funkčný prototyp takejto inštalácie, ktorý ukáže, že môžeme skutočne prekročiť hranicu presnosti merania uloženú Heisenbergovým princípom neistoty a ďalšími zákonmi kvantového sveta.

Prvé experimenty tohto druhu vykonáme na desaťmetrovom interferometri v Hannoveri, menšej kópii LIGO. Teraz zostavujeme všetky potrebné komponenty pre tento systém vrátane stojana, svetelných zdrojov a oblaku atómov. Ak uspejeme, som si istý, že nás naši americkí kolegovia budú počúvať - zatiaľ neexistujú žiadne iné spôsoby, ako sa obísť kvantový limit.

Budú zástancovia deterministických kvantových teórií, ktorí sa domnievajú, že v kvantovom svete neexistujú šance, považovať takéto experimenty za dôkaz správnosti ich ideí?

- Aby som bol úprimný, neviem, čo si o tom myslia. Budúci rok organizujeme v Kodani konferenciu o hraniciach medzi klasickou a kvantovou fyzikou a podobnými filozofickými otázkami a môžu sa zúčastniť, ak chcú predstaviť svoju víziu tohto problému.

Ja sám dodržujem klasickú kodanskú interpretáciu kvantovej mechaniky a priznávam, že vlnové funkcie nemajú obmedzenú veľkosť. Zatiaľ nevidíme žiadne náznaky toho, že by sa jeho ustanovenia niekde alebo v rozpore s praxou porušovali.

Laboratórium kvantovej optiky v ruskom kvantovom centre. Foto: RCC
Laboratórium kvantovej optiky v ruskom kvantovom centre. Foto: RCC

Laboratórium kvantovej optiky v ruskom kvantovom centre. Foto: RCC.

V posledných rokoch fyzici vykonali nespočetné testy Belliných nerovností a Einstein-Podolski-Rosenovho paradoxu, čo úplne vylučuje možnosť, že skryté premenné alebo iné veci mimo rámca klasickej kvantovej teórie môžu riadiť správanie sa objektov na kvantovej úrovni.

Napríklad pred niekoľkými mesiacmi bol ďalší experiment, ktorý uzavrel všetky možné „diery“v Bellových rovniciach, ktoré používali zástancovia teórie skrytých premenných. Musíme iba parafrázovať Nielsa Bohra a Richarda Feynmana: „drž hubu a experimentuj“: zdá sa mi, že by sme si mali klásť len tie otázky, na ktoré je možné odpovedať prostredníctvom experimentov.

Ak sa vrátime k kvantovej teleportácii - vzhľadom na problémy, ktoré ste opísali: nájde uplatnenie v kvantových počítačoch, komunikačných satelitoch a iných systémoch?

- Som si istý, že kvantové technológie čoraz viac prenikajú do komunikačných systémov a rýchlo vstúpia do nášho každodenného života. Ako presne ešte nie je jasné - informácie sa môžu napríklad prenášať teleportáciou aj prostredníctvom bežných optických liniek pomocou systémov kvantového distribúcie kľúčov.

Kvantová pamäť sa zase zase domnievam, že sa po chvíli stane realitou. Bude potrebné vytvoriť minimálne opakovače pre kvantové signály a systémy. Na druhej strane je ťažké predvídať, ako a kedy sa toto všetko zrealizuje.

Kvantová teleportácia sa skôr alebo neskôr nestane exotickou, ale každodennou vecou, ktorú môže použiť každý. Je nepravdepodobné, že tento proces uvidíme, ale výsledky jeho práce, vrátane bezpečných sietí na prenos údajov a satelitných komunikačných systémov, budú v našich životoch hrať obrovskú úlohu.

Ako ďaleko preniknú kvantové technológie do iných oblastí vedy a života, ktoré nesúvisia s IT alebo fyzikou?

- Toto je dobrá otázka, na ktorú je ešte ťažšie odpovedať. Keď sa objavili prvé tranzistory, mnohí vedci verili, že nájdu využitie iba v načúvacích pomôckach. To sa stalo, aj keď teraz sa týmto spôsobom používa len veľmi malá časť polovodičových zariadení.

Napriek tomu sa mi zdá, že dôjde ku kvantovému prelomu, ale nie všade. Napríklad akékoľvek prístroje a zariadenia, ktoré interagujú s prostredím a nejako merajú jeho vlastnosti, nevyhnutne dosiahnu kvantový limit, o ktorom sme už diskutovali. A naše technológie im pomôžu obísť tento limit alebo aspoň minimalizovať rušenie.

Navyše sme už jeden z týchto problémov vyriešili pomocou rovnakého prístupu „negatívnej hmoty“, čím sme vylepšili kvantové senzory magnetického poľa. Takéto zariadenia môžu nájsť veľmi špecifické biomedicínske aplikácie - môžu sa použiť na monitorovanie činnosti srdca a mozgu, hodnotenie šancí na infarkt a ďalšie problémy.

Moji kolegovia z RCC robia niečo podobné. Teraz spoločne diskutujeme o tom, čo sme dosiahli, snažíme sa skombinovať naše prístupy a získať niečo zaujímavejšie.