Nowy zwrot teorii kwantowej

Reklama

Jak nowy zwrot teorii kwantowej może rozwiązać jego największą zagadkę

„Upadek funkcji falowej” przekształca mgliste chmury możliwości kwantowych w znaną nam fizyczną rzeczywistość – ale nikt nie wie jak. Nowe eksperymenty wreszcie ujawniają rzeczywistość

W maleńkim królestwie atomów i cząstek wygląda na to, że rzeczy istnieją nie tyle jak rzeczy, ale jako niejasne chmury możliwości. Wydają się być tutaj, tam i wszędzie, lub wydają się być tym i tym naraz – dopóki na nich nie spojrzysz. Następnie mgiełka kwantowa zostaje nagle destylowana w coś określonego i opisywalnego, co uznajemy za „prawdziwe”.

Tyle wiemy. Problem polega na tym, że mechanika kwantowa , teoria opisująca ten niepewny świat , milczała głównie na temat tego, jak dzieje się tak zwane „załamanie” od zamazanych prawdopodobieństw do trwałych pewników. Niektórzy fizycy wolą całkowicie unikać tego pytania. Inni sugerują, że musimy dodać coś nowego, aby uzupełnić nasze zrozumienie tego, jak nasza znana rzeczywistość fizyczna wyłania się z kwantu.

Ale co, jeśli cały obraz był przez cały czas, a my po prostu nie patrzyliśmy wystarczająco uważnie? To zaskakująca sugestia z ostatnich eksperymentów, które po raz pierwszy dały nam wgląd w zawalenie się. Fizycy wciąż pogodzą się z tym, czego byli świadkami, i jest jeszcze za wcześnie, aby stwierdzić, co to wszystko znaczy. Ale już istnieją wskazówki, że najnowsze wyniki mogą wreszcie wskazać drogę do prawdy o tym, jak świat, który znamy, jest wyczuwany z dziedziny kwantowej.

Teoria kwantowa cieszy się wzniosłym statusem w nauce, ponieważ opisuje mikroskopijny świat z niezrównaną dokładnością. Został opracowany w latach dwudziestych XX wieku, aby wyjaśnić, dlaczego cząstki subatomowe, takie jak elektrony, wydają się czasem zachowywać jak fale, podczas gdy fale świetlne mogą wykazywać zachowanie podobne do cząstek – i dlaczego ich energie są ograniczone do określonych wartości. Fizyk Erwin Schrödinger był jednym z tych, którzy zrobili matematykę. Opracował równanie opisujące takie niejednoznaczne zachowanie z matematycznym bytem znanym jako funkcja falowa. Umożliwia to rzetelne obliczenie prawdopodobieństwa, które z różnych możliwych właściwości, takich jak lokalizacja, zostaną zaobserwowane, gdy zostanie zmierzony obiekt kwantowy.

Dziesięć lat później John von Neumann przedstawił pomysł, który stał się znany jako załamanie funkcji falowej: że wybór pojedynczego wyniku pomiaru ze wszystkich możliwości zakodowanych w funkcji fali następuje losowo i natychmiastowo, nawet jeśli powtarzane pomiary tego samego pasują do siebie szanse przewidywane na podstawie równania Schrödingera. Obraz nagłego, tajemniczego przejścia od wielu możliwości do jednej często utożsamiany jest z „kopenhaską” interpretacją mechaniki kwantowej. Dzieje się tak pomimo faktu, że Niels Bohr, jeden z głównych architektów tej interpretacji, wolał całkowicie uniknąć pytania o to, co stanie się, gdy dokonamy pomiaru.

Nie ma teoretycznego uzasadnienia dla załamania funkcji falowej jako prawidłowego sposobu opisania tego, co dzieje się, gdy dokonujemy pomiaru, ani żadnego wyjaśnienia, czym jest załamanie. Von Neumann po prostu narzucił to jako sposób na wyciągnięcie wyjątkowego wyniku z równania Schrödingera i zrobienie tego na papierze nad wielką dziurą w sercu teorii kwantowej.

Upadek jest „z natury tajemniczym pojęciem”, mówi Zlatko Minev z Uniwersytetu Yale. „Nakłada koc na to, czym jest pomiar i proces, w którym pomiar zmienia stan układu kwantowego.”

Nic więc dziwnego, że teoretycy kwantowi wymyślili różne pomysły na temat tego, co dzieje się pod kocem. Na przykład w interpretacji wielu światów załamanie funkcji falowej nie jest konieczne. Mówi się, że kiedy dokonywany jest pomiar, wszystkie możliwe wyniki zawarte w funkcji falowej są realizowane w wielu oddzielnych światach, które odgałęziają się od naszego w momencie pomiaru, tak że następuje podział, a nie załamanie. W innej interpretacji, często znanej jako mechanika Bohmiana, funkcja fali jest rodzajem siły rozciągającej, która kieruje jedną leżącą u podstaw rzeczywistością, w której cząstki zawsze mają określone właściwości i pozycje, które są opisane przez zmienne, do których nie mamy dostępu.

„Założyciele teorii kwantowej marzyli o przeprowadzaniu takich eksperymentów”

Następnie istnieje podejście znane jako „załamanie obiektywne”, które mówi, że załamanie funkcji falowej jest rzeczywistym, choć przypadkowym, procesem fizycznym i dodaje dodatkowy element do równania Schrödingera, aby to uwzględnić.

Wszystkie takie rozwiązania mają swoje własne problemy, co wyjaśnia, dlaczego fizycy od dziesięcioleci kłócą się gwałtownie i w większości bezowocnie, co jest najlepsze, bez żadnych twardych dowodów, które mogłyby pomóc im w podjęciu decyzji. Właśnie to Minev i jego koledzy starali się skorygować w ubiegłym roku za pomocą ambitnego eksperymentu zaprojektowanego w celu dokładniejszego niż kiedykolwiek pomiaru czułości kwantowej.

Aby zrozumieć ich wyniki, zwrócili się do mniej znanego sformułowania mechaniki kwantowej znanego jako teoria trajektorii kwantowej lub QTT. Został opracowany w latach 90. XX wieku, aby śledzić ścieżkę, którą obiekt kwantowy pokonuje w przestrzeni wszystkich swoich możliwych stanów podczas pomiaru. „QTT to wspaniałe i szeroko stosowane narzędzie do opisywania ewolucji kwantowych”, mówi Max Schlosshauer z University of Portland w Oregonie.

W QTT nie ma nic, co odbiega od zwykłej mechaniki kwantowej. Ale ma wyjątkową zaletę. W przeciwieństwie do równania Schrödingera, które opisuje tylko układ kwantowy w oderwaniu, może opisywać sposób, w jaki obiekty kwantowe oddziałują z ich środowiskiem, rozpraszając ich kwantowość w procesie znanym jako dekoherencja, i w zamian zostaje popchnięty przez środowisko w innym znanym procesie jako działanie zwrotne. Minev uważa QTT za „wyrafinowaną i rozwiniętą wersję mechaniki kwantowej”.

Problem polega na tym, że QTT jest irytująco trudny w użyciu do analizy eksperymentów, ponieważ musisz wiedzieć prawie wszystko, co się dzieje. Wyobraź sobie, na przykład, próbę monitorowania atomu, który może spowodować kwantowy „skok” między stanami energii, emitując jednocześnie foton światła. Aby zastosować QTT, musisz ciągle sprawdzać w niewiarygodnie krótkich odstępach czasu, aby sprawdzić, czy foton został wyemitowany. Nie możesz pozwolić sobie na przeoczenie jednego fotonu. I za każdym razem, gdy sprawdzasz, musisz wziąć pod uwagę wpływ wynikającej z tego akcji wstecz na atom. Trudno przecenić, jak trudne to jest. „Do tej pory skala czasu, w której występują skoki lub upadki, była zbyt szybka do zmierzenia”, mówi Minev.

To się teraz zmieniło dzięki zespołowi kierowanemu przez promotora doktora Mineva Michela Devoret’a, w tym teoretyka Howarda Carmichaela z University of Auckland w Nowej Zelandii, który pomógł opracować QTT. Wykorzystali nadprzewodzące bity kwantowe, takie jak w komputerach kwantowych, aby zbudować sztuczny atom i obserwować, jak przeskakuje z jednego stanu energii do drugiego. Wykorzystali mikrofale do wzbudzenia swojego „atomu”, a następnie obserwowali, jak emituje fotony mikrofalowe, gdy wraca do stanu podstawowego.

W rzeczywistości to, co oglądali, jest nieco bardziej skomplikowane. „Atom” przeskakuje do stanu podekscytowania, a następnie, pod wpływem działania wstecznego wywołanego przez sondowanie, spada ponownie. Nie „trzyma się” w stanie wzbudzonym, dopóki nie nastąpi prawdziwy skok kwantowy. A teraz, po raz pierwszy, można było śledzić to poruszanie się w tę iz powrotem. „Założyciele teorii kwantowej marzyli o przeprowadzaniu eksperymentów takich jak te, które możemy rozpocząć teraz”, mówi Minev.

Badacze zobaczyli, jak z upływem czasu rozwija się skok kwantowy : zjawisko, które okazuje się gładkie, a nie nagle, jak zakładali Bohr i jego współpracownicy. Skoki zdarzały się w przypadkowych momentach, ale był pewien rodzaj sygnału prekursorowego, gdy ktoś był bliski: drżenie spowodowane kwantowym działaniem wstecznym stało się niezwykle ciche. Dzięki temu ostrzeżeniu o zbliżającym się skoku badacze byli nawet w stanie wystrzelić mikrofale w kubity, aby złapać i odwrócić skok w trakcie jego trwania, czego nigdy wcześniej nie osiągnięto.

teoria wielości wymiarow
Wydaje się, że nowe eksperymenty podważają „wiele światów” przyjmujących teorię kwantową Busà Photography / getty images Read more: https://www.newscientist.com/article/mg24532750-700-how-a-new-twist-on-quantum-theory-could-solve-its-biggest-mystery/#ixzz6PQNMNvci

Co to ma wspólnego z załamaniem? Cóż, chociaż w tamtym czasie nie było to zbyt wiele uwagi, eksperyment skoków kwantowych faktycznie monitorował również proces tradycyjnie uważany za załamanie funkcji falowej – ponieważ jest to nieunikniona konsekwencja ciągłej obserwacji. W tym przypadku, ponieważ sztuczny atom był ciągle doprowadzany do jednego ze stanów wzbudzonych, pomiary ciągle zapadały się w stan podstawowy. To samo dotyczy przejścia do stanu podekscytowania. Wynik sugeruje więc, że również „upadek” jest prawdziwym, fizycznym i płynnym procesem – nagromadzeniem małych działań wstecznych z ciągłego monitorowania systemu – które można obserwować w miarę jego rozwoju.

Upadek upadku

Praca podnosi nawet perspektywę całkowitego uniknięcia „zapaści” podczas dokonywania pomiaru. Oznaczałoby to tak ostrożne kontrolowanie interakcji bytu kwantowego z otoczeniem, że dochodzi do nieznacznego działania wstecznego, a tym samym minimalnych zakłóceń. Taki pomiar dostarczyłby informacje tak dokładnie, jak mogłoby być, z zastrzeżeniem ograniczeń zasady nieoznaczoności Heisenberga, która mówi, że istnieje ograniczenie dokładności pomiaru niektórych par właściwości. Sondowałby system na tak zwanym „limicie Heisenberga”, wolnym od jakichkolwiek zewnętrznych szumów wstecznych. Od dawna jest to celem niezwykle czułych metod detekcji kwantowej, takich jak pomiar czasu podróży fotonu w detektorze fali grawitacyjnej, i może odegrać poważną rolę w realizacji obietnicy obliczeń kwantowych (patrz „Korekty kwantowe ”).

„Biorąc pod uwagę wystarczająco wydajny sprzęt do odczytu, możemy dokonywać znaczących pomiarów kwantowych bez zawalenia się” – mówi Devoret. „Jesteśmy zaledwie kilka lat od tego, aby móc dokonywać tego rodzaju pomiarów”.

Tymczasem wyniki, które zespół już dał nam wiele do przeżuwania – zwłaszcza implikacja, że ​​pojęcie załamania funkcji falowej nigdy nie było tak naprawdę konieczne. Jest to tylko prymitywny sposób mówienia o zmianie, która zachodzi, gdy system kwantowy zostaje uwikłany i zakłócony przez swoje otoczenie. „Cały leksykon„ upadku ”jest fatalnie wadliwy”, mówi Minev. „Jest to pozostałość po dyskusjach z lat dwudziestych XX wieku i daje zły obraz mentalny. Teoria trajektorii kwantowej zdejmuje zasłonę, która przesłaniała mechanikę zapadania się i pokazuje nam, że nie ma czegoś takiego. ”

Może to zabrzmieć radykalnie, ale jest to poparte innym niedawnym eksperymentem przeprowadzonym przez Markusa Hennricha i współpracowników z Uniwersytetu Sztokholmskiego w Szwecji, we współpracy z Adánem Cabello z Uniwersytetu w Sewilli w Hiszpanii i innymi. Byli w stanie wykonać specjalny, „idealny” rodzaj pomiaru kwantowego, który nie niszczy stanu kwantowego (jak ma to miejsce, gdy foton jest wykrywany na przykład przez absorpcję), ale przesuwa go do innego stanu, który można ponownie zmierzyć . Dotyczy to nawet superpozycji: stanów kwantowych, w których możliwy jest więcej niż jeden możliwy wynik pomiaru. Superpozycje są zwykle niszczone przez pomiar, ale mogą przetrwać tak „idealny” pomiar.

Nigdy wcześniej tego nie robiono, ale Hennrich i jego koledzy wykonali to, mierząc elektrycznie uwięzione jony strontu. I znowu zobaczyli łagodną, ​​stopniową zmianę stanu zamiast nagłego, niszczycielskiego trzasku konwencjonalnej zapaści. Jak mówi Cabello, właściwie stosowane, „mechanika kwantowa„ opisuje pomiar jako proces wymagający czasu i mówi, jak ewoluuje stan kwantowy ”.

„Pomysł, że pomiar kwantowy wymaga prawie magicznej transformacji, jest już martwy”

Gdzie to pozostawia nasze rozumienie tego, jak fizyczna rzeczywistość, jak wiemy, wyłania się z królestwa kwantowego? Dla Hansa Mooija, specjalisty w dziedzinie elektroniki kwantowej na Delft University of Technology w Holandii, eksperymenty ujawniające drobne szczegóły pomiaru „nieuchronnie doprowadzą do reinterpretacji fizyki kwantowej”, nawet jeśli nie jest jeszcze jasne, co się pojawi. .

Na początek, mówi Mooij, praca wymaga „całkowitego przeglądu interpretacji kopenhaskiej z załamującymi się funkcjami fal” – ani mantra Bohra „nie pytaj”, ani niewyjaśnione załamanie von Neumanna nie wydają się już potrzebne. Pomysł, że pomiar wymaga natychmiastowej, niemal magicznej transformacji, jest już martwy, mówi Cabello.

Po prostu dodać ignorancję?

Usunięcie zjawiska znanego wcześniej jako zawalenie się wydaje się również usuwać kluczową motywację do interpretacji teorii kwantowej w wielu światach , która ma na celu uniknięcie potrzeby zawalenia kosztem rozmnażania się światów. „Osobiście uważam, że taka interpretacja jest zbędna”, mówi Carmichael, ale przyznaje, że „zawsze jest miejsce na zawijanie się”.

Zdaniem Carmichaela wydaje się, że to, co wydaje się wyłaniać, jest czymś, co nie jest dalekie od obrazu zawalenia obiektywu, z tym, że losowe kopnięcie, które zmusza system kwantowy do decydowania o jego stanie, wyłania się naturalnie ze środowiska, a nie jest dodawane przez ręka jako domniemane, ad hoc matematyczne rozszerzenie standardowej teorii kwantowej. Równanie najpopularniejszego modelu zapadania się celów, mówi, „jest formalnie równoważne wersji QTT, której używaliśmy do modelowania eksperymentu Yale” – przy czym losowy termin „zapaść” pochodzi teraz z włączenia kwantowej akcji wstecznej.

Zapewne usunęłoby to powszechny sprzeciw wobec obiektywnego upadku – że zastosowanie nowego terminu w równaniu Schrödingera jest prowizoryczne. Ale to nie jest takie proste. Dla niektórych zwolenników tego modelu dodatek jest niezbędny i nie można go zastąpić zwykłym losowym wpływem środowiska. Bez obiektywnego załamania „nie ma nic przypadkowego, a jedynie ignorancja na temat dokładnego stanu środowiska”, mówi Daniel Sudarsky z Universidad Nacional AutÓnoma w Meksyku. „Dodanie ignorancji do obrazu nie może zapewnić lepszego obrazu stanu rzeczy niż dodanie ignorancji”.

Ostatecznie, mówi Sudarsky, czyniąc środowisko jedynym czynnikiem zawalającym się, po prostu odkłada jego pochodzenie na wciąż rozszerzające się definicje systemu: jeśli zaakceptujesz, że cały wszechświat można uznać za jeden wielki system kwantowy zarządzany równaniem Schrödingera, nie ma już nic do zawalenia się to.

Biorąc pod uwagę długą historię sporów o właściwy sposób interpretacji mechaniki kwantowej, zbyt wiele można oczekiwać, że debata zostanie łatwo rozstrzygnięta. Teoretyk Roderich Tumulka z University of Tübingen w Niemczech zwraca uwagę, że sam QTT jest agnostyczny wobec interpretacji, co sugeruje, że możliwe jest sformułowanie wersji mechaniki Bohmian lub wielu światów, które nie kolidują z tymi nowymi spostrzeżeniami. Rzeczywiście, niektórzy badacze twierdzą, że nowe wyniki nie mają konsekwencji dla różnych sposobów zrozumienia znaczenia mechaniki kwantowej. Dla Leva Vaidmana z Uniwersytetu w Tel Awiwie w Izraelu, wieloletniego zwolennika idei wielu światów, eksperymenty Yale „potwierdzają, że standardowa mechanika kwantowa i sprzęt działają dobrze, ale nie mają wpływu na interpretacje”.

Nawet jeśli nie jesteś stronnikiem żadnej z egzotycznych alternatyw dla Kopenhagi, jedno jest przynajmniej pewne: naleganie Bohra, że ​​pojawienie się rzeczywistości fizycznej z królestwa kwantowego jest czymś, co się dzieje, bez zadawania pytań, nie jest już opcja. Możemy teraz obserwować przebieg pomiaru i nie potrzebujemy zwinięcia, aby to opisać.

Wyzwanie polega teraz na sprawdzeniu, czy te nowe spostrzeżenia można zastąpić magiczną różdżką zawalenia pełną teorią pomiaru kwantowego. „Szkoda, że ​​nie przeszedłem na emeryturę i nadal jestem w pełni eksperymentalny” – mówi Mooij – „ponieważ będzie to niezwykle ekscytujące”.

komputer kwantowy
Dzisiejsze komputery kwantowe są delikatne i podatne na błędy IBM Research / Science Photo Library

Tajemniczy proces, w którym zamazany, niezdecydowany świat kwantowy wchodzi w znane nam „klasyczne” rzeczywistości fizyczne, zawsze uważany był za ulicę jednokierunkową. Ale może nie na długo.

Fizycy stojący za ostatnim eksperymentem, który dał nam pierwszy wgląd w ten proces (patrz główna historia), teraz sądzą, że mogliby również być w stanie go odwrócić – wyczyn, który może przyspieszyć poszukiwania użytecznych komputerów kwantowych , które wykorzystują dziwne właściwości fizyka kwantowa w celu przyspieszenia niektórych obliczeń.

W zeszłym roku Google twierdził, że osiągnął kamień milowy w tworzeniu komputera kwantowego, który może rozwiązać problem w ciągu kilku minut, co zajęłoby najlepszy komputer konwencjonalny tysiące lat . Ale jedną z największych przeszkód dla komputerów kwantowych rutynowo rozwiązujących rzeczywiste problemy jest to, że trudno jest naprawić błędy, które nieuchronnie występują, gdy bit kwantowy lub kubit, który jest podstawowym składnikiem komputera kwantowego, losowo zmienia swój stan – powiedzmy od 1 do 0. Zawsze istnieje szansa na wystąpienie takich błędów w delikatnym stanie kwantowym kubitów wykorzystywanych do obliczeń, i powodują one „szum”, który może wykoleić obliczenia, jeśli nie zostaną skorygowane.

Łapiąc podobne przejście zwane skokiem kwantowym i przewidując, kiedy to nastąpi, Zlatko Minev z Uniwersytetu Yale i jego koledzy zaproponowali możliwe rozwiązanie. Chodzi o to, że przy wystarczająco czułym sprzęcie wykrywającym można tak dokładnie monitorować kubity, że można przewidywać i natychmiast cofać błędy, a nawet zapobiegać im.

Według Mineva metoda „daje nam możliwość interweniowania w procesie, w którym hałas pojawia się w komputerze kwantowym, co pozwala nam potencjalnie odwrócić go, zanim będzie mógł zniszczyć całe obliczenia”.

William Oliver, fizyk eksperymentalny z Massachusetts Institute of Technology również dostrzega potencjał. „Pod warunkiem, że istnieje podpis wskazujący, że nastąpi skok”, mówi – taki, który w rzeczywistości nie ujawnia informacji w kubicie, który zniszczyłby splątany kwantowo stan kubitów, od którego zależy obliczenie – „wtedy jeden wyobrażam sobie poprawianie takich skoków, jakie się zdarzają. ”

Inne techniki korekcji błędów są już opracowywane, ale ta może rozwiązać problem u źródła.

Leave a Comment

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

*