Квантово сдвояване и загадките на квантовата теория

A+ A-
7437 прегледа 0 Коментара
Един студент става прочут със своите експерименти, подлагайки на съмнение работата на самия Айнщайн. Смелчагата Ален Аспе е бил готов да съсипе кариерата си, ако не се окаже прав, но тридесет и няколко годишният изследовател решава да се запише в историята, независимо от резултатите.

През 1982 година той се натъква на нещо наистина грандиозно. Заедно с колегите си открива същинско доказателство за интересното явление – квантово сдвояване. И до днес мнозина се затрудняват да анализират значението му, но частиците въпреки това се свързват по необясним начин, без да има значение на какво разстояние са едни от други.

Почти като в научно-фантастичен филм можем да станем свидетели на това, как упражнявайки въздействие само върху една от частиците, нейните партньори реагират като засегнати на момента, дори и да са далеч. Приложението на този феномен определено е обещаващо. Могат да бъдат създадени изключително бързи компютри, а може и да се овладее телепортацията чрез изпращане на обектите в Космоса с лъч.

квантово сдвояване

Удивителното откритие има своето първично начало още през 1924 година, когато френският аристократ Луи дьо Бройл разказва, че светлината, която е приемана за вълна, често има поведение все едно е съставена от комплекти фотони, наподобяващи частици. Той стига до логичния извод, че електроните могат да се държат като вълни. Три години по-късно дръзкото му предположение е потвърдено с конкретен опит.

Задълбалите в теорията решават да тестват вълните от материя. Австрийският учен Ервин Шрьодингер създава уравнение, с което описва как се държат вълните, с което става ясно, че те не са обикновени физични вълни. Ето защо им дава абстрактното наименование „вълнови функции“.

уравнение на Шрьодингер

От уравнението се разбира, че всъщност частиците не са в константно състояние, а преминават през всички възможни състояния по едно и също време. Този процес спира, когато бъдат вкарани в някакви рамки в лабораторни условия. Смятало се, че заключението от уравнението на Шрьодингер, се отнасяло само до квантовия свят, но през 1935 година той разбива представите окончателно и дава своя значим принос към физиката.

Мисловният експеримент представлява кутия, в която е затворен радиоактивен атом, а вероятността той да се разпадне до час е 50:50. Квантовата теория гласи именно това – след толкова време той ще пребивава в такова смесено състояние, като едновременно ще се е разпаднал и няма да се е разпаднал.
котката на Шрьодингер

Ако в допълнение си представим, че в кутията има и котка, както и механизъм, отделящ отрова, когато засече радиоактивност, то се очаква резултатите след час да бъдат озадачаващи. Котката е едновременно жива и мъртва, докато смесицата от състояния не бъде накарана да премине в едно определено състояние.

Шрьодингер измисля термин, за може да опише ситуациите, в които законите на квантовата теория реализират близка връзка между два обекта. Нарича го „сдвояване“. Той нанася нов удар на тези, включително и на Айнщайн, които считат, че квантовата теория ще предостави ясен и разумен модел на реалността.

Десет години преди това немският физик Вернер Хайзенберг показва, че квантовата теория не ни дава възможност да знаем с точност всички свойства на субатомните системи. Самото им наблюдение ги кара да се изменят по особено непредсказуем начин.

Според неговия „принцип на неопределеност“, колкото по-точно сме определили дадена характеристика, толкова по-точна е друга такава. Например, ако знаем каква е позицията, ние правилно ще изчислим скоростта.

Айнщайн твърди, че на квантовата теория й липсва жизнен градивен елемент, който да я направи точна и ясно дефинирана. През 1935 г. заедно с Борис Подолски и Натан Розен той се опитва да докаже твърдението си чрез експеримента „АПР“, кръстен на тримата му създатели.

Трябва да си представим, че една молекула се разпада на две части, които са напълно идентични. Те тръгват в две противоположни посоки, но нямат ясни свойства, докато не се превърнат в обект на наблюдение, както предполага теорията. Ако искаме да установим позицията на едната, започваме да я следим, а този шок за нея, я кара да получи определени свойства.

Айнщайн е осенен от идеята, че ако веднъж определим позицията на първата частица, могат да се използват Нютоновите закони, за да се установим позицията на другата частица, без да е нужно тя да бъде подложена на наблюдение. Вероятно обаче първата частица по някакъв начин дава сигнал на другата, че трябва да премине в дадено състояние.

законите на Нютон

Айнщайн казва, че според теорията за относителността, не съществува сигнал, който да се движи по-бързо от светлината, следователно частиците не биха могли да си комуникират помежду си. Те сигурно имат точно определени свойства, но защитниците на квантовата теория не са съгласни с него и се нахвърлят върху твърдението му, макар и без сериозни доводи. Десет години след смъртта на Айнщайн спорът все пак е разрешен.

През 1964 г. ирландският специалист Джон Бел посочва, че ако частиците имат постоянни свойства, то би трябвало да има някакъв лимит за това колко подобни могат да бъдат двойките частици. А той следва да бъде поставен от скоростта на светлината. Бел прави демонстрация и заявява, че ако Айнщайн е бил прав, то връзката между свойствата на частиците никога не може да надмине определено ниво, или това е така нареченото „неравенство на Бел“.

Ален Аспе и колегите му във Франция най-накрая успяват да извършат експеримента АПР, използвайки сдвоени фотони светлина. Те отхвърлят като невалидно неравенството на Бел и за тяхна изненада дори фотони на голямо разстояние един от друг имат свой начин на комуникация.

Щом неравенството на Бел не важи, то поне едно от неговите предположения, както и и едно от предположенията на Айнщайн, трябва да е погрешно. Частиците наистина имат способността да останат сдвоени, а характеристиките им са свързани и в по-големи мащаби от този на субатомния свят.

Внушителното значение на квантовото сдвояване не е оценено веднага, трябва да мине известно време, за да могат учените да осъзнаят за какво става дума.

Дейвид Доч е един от първите, които се стараят да му намерят приложение. През 1985 г. той вкарва сдвоените частици в изобретяването на „квантов компютър“, имащ потенциала да решава задачи далеч по-бързо от всички съществуващи машини. Квантовият компютър употребява „кюбити“ вместо битове, а всеки кюбит може да бъде в повече от едно състояние. Компаниите вече проявяват интерес към производството на тези съвременни „мозъци“ – бъдещето е пред тях.

Някои продължават да са скептични, тъй като Шрьодингер не намира начин да обясни защо не наблюдаваме в ежедневието си сдвояването. Отговорът вероятно се крие в явлението, което носи името „декохеренция“. При него смесените състояния, предсказани от квантовата теория, изчезват при контакт с околната среда.                  

Котката на Шрьодингер винаги е или жива, или мъртва, понеже сдвояването й с радиоактивните атоми е разрушено от декохеренцията, която се дължи на взаимодействие със заобикалящата я среда. Как да се контролира тя, е огромно предизвикателство за тези, които искат да създадат пълноценен квантов компютър, защото целта е да се поддържа сдвояване между кюбитите.

Един ден може би ще се телепортират и хора, но засега опитите в тази посока се провалят, тъй като самият процес на сдвояване е нестабилен.

На практика най-великото завещание на Айнщайн може да се окаже неуспешният му опит да докаже, че квантовата теория греши.
Сподели
За автора
Epis

Информацията, която търсите...

Свързани публикации
Коментари