Три удивительных загадки квантового мира

Фантастическая гипотеза

По мнению ученого атомы напоминают крошечные модели Солнечной системы, так как электроны вращаются вокруг ядра, подобно планетам. Но электроны, в отличие от планет, двигаются по одной определенной орбите и ни по какой другой. Бор утверждал, что когда атом нагревается, электроны приходят в движение и перескакивают с одной орбиты на другую. При этом, каждый скачок сопровождается выбросом энергии в форме света с определенной длиной волны. Вот откуда взялись те странные вертикальные линии и понятие «квантовый скачок».

В документальном фильме National Geographic о квантовой теории, физик Брайан Грин рассказывает об удивительных свойствах квантового скачка, которые заключаются в том, что электрон перемещается с одной орбиты сразу на другую, будто бы не пересекая пространство между ними. Как если бы Земля в одно мгновенье поменялась орбитами с Марсом или Юпитером. Бор считал, что из-за странных свойств электронов в атоме, они излучают энергию определенными, неделимыми порциями, которые называются кванты. Именно поэтому электроны могут двигаться строго по определенным орбитам и могут находиться либо в одной точке, либо в другой, но никак не посередине. В повседневной жизни мы не сталкиваемся ни с чем подобным.


При нагреве атомов электроны начинают перескакивать с одной орбиты на другую.

Каким бы невероятным ни казалось предположение Бора, физики довольно быстро нашли большое количество доказательств в пользу его теории – электроны действительно ведут себя по совершенно иным законам, нежели планеты Солнечной системы или шарики для пинг-понга. Открытие Бора и его коллег, однако, противоречило общеизвестным законам физики и вскоре привело к столкновению с идеями, высказанными Альбертом Эйнштейном.

Истина, скрытая файрволом


могут распадаться на горизонте событий

К 90-м годам несколько физиков-теоретиков, включая Леонарда Сасскинда из Стэнфорда, предложили решение этой проблемы. Да, сказали они, материя и энергия падает в черную дыру. Но с точки зрения внешнего наблюдателя, этот материал никогда не преодолевает горизонт событий; он словно балансирует на его грани. В результате горизонт событий становится голографической границей, содержащей всю информацию о пространстве внутри черной дыры. В конце концов, когда черная дыра испаряется, эта информация утекает в виде излучения Хокинга. В принципе, наблюдатель может собрать это излучение и восстановить всю информацию о недрах черной дыры.

В своей работе 2012 года физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джеймс Салли и Джозеф Полчинский заявили, что в этой картине что-то не так. Для наблюдателя, пытающегося собрать головоломку того, что находится внутри черной дыры, отметили одни, все отдельные части головоломки — частицы излучения Хокинга — должны быть запутаны между собой. Также каждая хокингова частица должна быть запутана со своим оригинальным партнером, который упал в черную дыру.

К сожалению, одной запутанности недостаточно. Квантовая теория утверждает, что для того, чтобы запутанность присутствовала между всеми частицами снаружи черной дыры, должна быть исключена запутанность этих частиц с частицами внутри черной дыры. Кроме того, физики обнаружили, что разрыв одной из запутанностей породил бы непроницаемую энергетическую стену, так называемый файрвол, на горизонте событий.

Многие физики усомнились в том, что черные дыры на самом деле испаряют все, что пытается проникнуть внутрь. Но сама возможность существования файрвола наводит на тревожные мысли. Ранее физики уже задумывались о том, как выглядит пространство внутри черной дыры. Теперь они не уверены в том, есть ли у черных дыр это «внутри» вообще. Все будто смирились, отмечает Прескилл.

Но Сасскинд не смирился. Он потратил годы, пытаясь доказать, что информация не исчезает внутри черной дыры; сегодня он так же убежден, что идея файрвола ошибочна, но доказать этого пока не смог. Однажды он получил загадочное письмо от Малдасены: «В нем было немного, — говорит Сасскинд. — Только ЭР = ЭПР». Малдасена, работающий сейчас в Институте продвинутых исследований в Принстоне, задумался о своей работе с банками супа 2001 года и заинтересовался, могут ли червоточины разрешить мешанину запутанности, порожденную проблемой файрвола. Сасскинд быстро подхватил эту идею.

В статье, опубликованной в немецком журнале Fortschritte der Physik в 2013 году, Малдасена и Сасскинд заявили, что червоточина — технически мост Эйнштейна-Розена, или ЭР — является пространственно-временным эквивалентом квантовой запутанности. (Под ЭПР понимают эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена, который должен был развеять мифологическую квантовую запутанность). Это означает, что каждая частица излучения Хокинга, независимо от того, как далеко она находится от начала, напрямую связана с недрами черной дыры посредством короткого пути через пространство-время. «Если двигать через червоточину, далекие вещи оказываются не такими уж и далекими», — говорит Сасскинд.

Сасскинд и Малдасена предложили собрать все частицы Хокинга и столкнуть их вместе, пока они не коллапсируют в черную дыру. Эта черная дыра была бы запутана, а значит соединена червоточиной с оригинальной черной дырой. Этот трюк превратил запутанную мешанину хокинговых частиц — парадоксально запутанных с черной дырой и между собой — в две черные дыры, соединенные червоточиной. Перегрузка запутанности разрешилась, и проблема файрвола была исчерпана.

Не все ученые прыгнули на подножку трамвая ЭР = ЭПР. Сасскинд и Малдасена признают, что им предстоит проделать еще много работы, чтобы доказать эквивалентность червоточин и запутанности. Но после обдумывания последствий парадокса файрвола, многие физики соглашаются, что пространство-время внутри черной дыры обязано своим существованием запутанности с излучением снаружи

Это важное прозрение, отмечает Прескилл, поскольку оно также означает, что вся ткань пространства-времени Вселенной, включая тот клочок, который занимаем мы, является продуктом квантового жуткого действия

Принцип квантовой неопределенности

Еще одна удивительная особенность микромира была открыта, когда ученые провели известный эксперимент, демонстрирующий как один объект может быть в двух местах одновременно.

Оказалось, что во вселенной мельчайших частиц кроме того, что информация может распространяться со сверхсветовой скоростью, простой факт наблюдения за экспериментом может изменять его результаты. Другими словами, поведение частиц в микромире меняется в зависимости от того следим мы за ними или нет.

Это открытие было сделано Томасом Юнгом. Ученый пропускал фотоны сквозь металлическую пластину с двумя прорезями. Частицы, проскочившие в прорези, засвечивали проекционный экран позади пластины. Результаты эксперимента озадачивают ученых по сей день. После того как электрон был запущен в экран он оставлял на проекторе такой след, как будто сквозь щели барьера пропустили не один электрон, а сразу два. Так, как если бы микрочастица каким-то образом сама себя клонировала и прошла сквозь обе щели одновременно. Но как один объект может быть в двух местах одновременно?

Волновая интерференция в опыте Юнга

Пытаясь приблизиться к разгадке этого феномена, физики проследили за движением электронов, фотонов и других субатомных частиц. Они не просто изучали следы, оставленные на экране, они наблюдали за моментом прохождения частиц сквозь прорезь и открыли нечто поразительное.

Когда они следили за электронами, те вели себя как частицы, но, если наблюдение в этот момент не велось, электроны вели себя как волны, а экран фиксировал их интерференцию, что совершенно необъяснимо. Ученые сделали вывод, что сам процесс наблюдения влиял на природу субатомных частиц. Это явление ученые назвали «принципом квантовой неопределённости».

Это одно из самых загадочных явлений в квантовой физике. Смотрим на объект — видим частицу, не смотрим — имеем дело уже с волной. Когда результат эксперимента были опубликованы, ученые пришли в замешательство. Эйнштейн по этому поводу сказал: «Я не верю в квантовую физику, потому что луна на небе существует, даже если я на нее не смотрю»

Однако, современные ученые, повторив эксперимент Юнга с использованием современных инструментальных средств, не просто повторили результаты двухвековой давности, но и столкнулись с новым явлением, изменившим само восприятие времени.

Электроны все так же пропускали сквозь пластину с двумя прорезями. Однако теперь ученые смогли начать наблюдение тогда, когда электроны уже прошли сквозь отверстие в пластине, но всё еще не ударились о проекционный экран.

В результате электроны, которые до начала наблюдения вели себя как волны, в момент начала наблюдения, становились частицами. Как если бы электроны в момент начала наблюдения вернулись назад во времени и начали вести себя как частицы, отменив свое волновое поведение до начала наблюдения.

Это одна из самых больших загадок квантового мира. Она же является самой большой проблемой при изучении микрочастиц. Сталкиваясь с принципом неопределенности, физики понимают, что просто не в состоянии с точностью определить местоположение частиц из-за их волновых свойств.

И, что более удивительно, когда ученые пытаются поймать частицу, она генерирует энергию и покидает пространство наблюдения до того, как ее местоположение и скорость будут определены. Принцип неопределенности показывает нам, что сама природа не позволяет поймать свои фундаментальные частицы.

Несмотря на всю странность этого явления, может быть это и есть основной принцип существования нашего мира — мы просто ничего не можем знать с абсолютной точностью.

Мост Эйнштейна-Розена стихи. Я пытаюсь написать верлибр

каждое классическое написание стиха похоже на переездиз одной съемной квартиры в другуютело свое перетаскиваешь, хлам в коробках, старые вещи —ощущения законсервированные как препараты в мед. академиирифмы давно избитые как колени ребенкатолько затянется ссадина коркой ее свозит с удвоенной силойобразы — потомственные бедуины, кочуют по словесной пустыне изученными дорогамиизредка делая перестановки внутри каравана, пытаясь вдохнуть что-то новоепотому что рано или поздно упираешься в то что всё ограниченновсё действительно ограниченно и люди друг на друга похожи больше чем кажетсярано или поздно ты встретишь, обязательно встретишь того кто уместитвсё твоё горе в одно единственное произведениеа твои опусы — будто балласт многотонный, будет тянуть ко дну и казаться бессмысленнымэто так хорошо, что когда стареешь становится безразличнокак Лебовски, которого бьют ****ом о раковину , — где стихи про любовь хотя бы, юноша?а я собирая остатки гордости отправляю их за член подержатьсяну вот опять рифмы выползли, а я давил эти рифмы как Шариков кошека любовные темы давно похожи на старые дырявые тряпки для мытья половздравый смысл говорит мне, что я идиот, и если так дальше пойдетто я ничего не добьюсь и писать надо рифмуя по типу «нежность» — «промежность»и желательно кратко, и не строить мною любимые огромные пизанские башнии что я никто, если ни разу не упоминал в стихотворениях о Герде с Каеми вообще, псевдоним у меня какой-то неправильныйа я им всем отвечаю, почти срываясь на войчто не подхожу по возрастной категории под это дерьмои что дети из сказки крайне плохо закончилипотому что у бедняков в то время не было выбора изначальноодна выросла и пошла в проституцию или в лучшем случае прачкойдругой стал простым наемным рабочим, бьющим жену и детейпосле еды вытирающим руки о вонючую одежду на обвисшем пузеспускающим последние крохи на дешевое поило в кабакеи меня ужасно бесят, меня действительно бесятбесконечные пледы, чаи, свитера, письма в конвертах, простуженные голосаи прочий утрамбованный перегной в однотипных болезненных высерахгордо именующихся поэзией от чувственных авторовчто порождают естественно непреодалимое желание выслеживать оных,как Андрей Чикатило, и пускать на свиную вырезкумой внутренний Маяковский грозит кулаком мирозданию, бородатому богучто же ты, отче!наказание сущеезубами впитьсяв яремную венуна землю хлещутслова утробныезверем вмерзшим бытьв ледпростоты и обыденностиу меня со спины слезает кожавот он я — на съедение падальщикаммаслы измусоленыслюнявыми пастямипойдешь по миру после — не в гробу открытома по рукамкак проститутка дешеваятак что же сам то ты, отче?имя твоё что монеткапопавшая в сточные воды, упоминаемо всуеи несется с грязным потокомчеловечьего родая устал, я действительно очень устал обходить капканызажимая руками рот вырезать кочевой народ безжалостноа всё чего ради? можно подумать, что я с заговорщицким видом как повар из общепитаподсовываю мясные верлибры в веганские салатики из банальных стишати смотреть как жрут мой нутряк, нахваливая мастерствопока в горле не встанет ребром моя дикая животная скорбьи они поймут, что это совсем не вкусовая добавка из соиа уродливая реальность, и мне остается смотреть как посетители с воплем сбегаюти я получаю своё право хранить молчание, но мне страшно не меньше ихно на самом деле все проще, всё действительно прощея вообще никогда не писал стихов и поэзию чуть меньше чем ненавижупотому что это такой ограниченный жанр искусства, смотри, я повторяюсь, видишь?но отними у меня бумагу и ручку и я точно сойду с умаот неспособности выражать свои чувства.

Что увидели ученые?

Физики из Венского технического университета и Университета Уильяма Марша Райса в США на днях опубликовали исследование, согласно которому они нашли способ наблюдения за переходом в состояние квантовой запутанности миллиардов электронов в металлической пленке.

В качестве подопытного материала ученые использовали так называемыйстранный металл» — сплав иттербия, родия и кремния, который при сверхнизких температурах проявляет необычные свойства.

Как объясняет один из авторов эксперимента Силке Бюлер-Пашен из Венского технического университета, у странных металлов прослеживается необычная связь между электрическим сопротивлением и их температурой. «В отличие от простых металлов, таких как медь или золото, это, вероятно, связано не с тепловым движением атомов, а с квантовыми колебаниями при абсолютной нулевой температуре», — говорит Бюлер-Пашен.

Охладив странный металл до температуры почти в минус 273 градуса по Цельсию, ученые засекли у электронов этого материала состояние квантовой критичности — переходный момент, который в классической физике можно сравнить с изменением агрегатного состояния вещества между твердым, газообразным и жидким.

Профессор Института теоретической физики им. Ландау Константин Ефетов пишет, что квантовая критичность — это поведение элементарных частиц при нулевой температуре, для которого характерно разрушение металлического состояния.


Фото: Joshua Sortino/Unsplash

«Электроны ведут себя больше не как устойчивые квазичастицы, а становятся тяжелыми и короткоживущими, существенно меняя термодинамические и транспортные свойства таких материалов. Квантовые критические точки(QCP) принадлежат к числу самых сильных возмущений, которые могут быть привнесены в металлическое состояние», — объясняет Ефетов.

Физики из Австрии и США смогли экспериментально засечь состояние квантовой критичности с помощью охлаждения странного металла: при сверхнизких температурах внезапно изменилась структура вещества и свойства электронов, что заставило миллиарды этих элементарных частиц перейти в состояние квантовой запутанности и вести себя как единое целое.

«Когда мы говорим о квантовой запутанности, мы обычно думаем о мире частиц и не ассоциируем ее с макроскопическими объектами. С другой стороны, если достичь квантовой критической точки, то у нас появляется возможность увидеть этот феномен в металлической пленке, которая содержит миллиарды миллиардов связанных квантовых объектов», — рассказывает автор работы, физик из Университета Уильяма Марша Райса Цимяо Си.

Самым сложным в этом эксперименте было создание чистейшего образца странного металла, на что у исследователей ушло несколько лет. После этого физики изучали, как его электроны ведут себя при охлаждении и взаимодействуют с пучками терагерцового излучения, которое находится в диапазоне между инфракрасными и сверхвысокочастотными волнами.

Ключевым моментом исследования стало обнаружение взаимозависимости между температурой и частотой квантовых колебаний, что и есть основным признаком квантовой критичности.

По сути, благодаря обнаружению квантовой критичности в электронах странного металла, ученые засекли момент их перехода в сингулярное состояние. Достижение этой сингулярности — т. е. квантовой запутанности — сулит огромные перспективы в создании сверхпроводников, которые являются основой для квантовых компьютеров.

«Концептуально, это действительно был эксперимент мечты… Наши результаты показывают, что квантовая критичность может привести к созданию платформы как для квантовой информации, так и для высокотемпературной сверхпроводимости. Когда кто-то созерцает такую возможность — он не может не удивляться чуду природы», — говорит Цимяо Си.

Фото: naked-science.ru

Жизнь после смерти

Первые два применения квантовой запутанности были посвящены технологическим инновациям и суперкомпьютерам земного происхождения. Третье включает в себя строительство собственной вселенной на основе квантового суперкомпьютера.

Что если записать всю информацию вашего мозга на «квантовую материнскую плату», вживленную в ваш мозг, чтобы иметь возможность перенести куда угодно — от нового тела до компьютера? Такая концептуализация понятия жизни после смерти не требует ангельского вмешательства — информация, так сказать, сохраняется в ткани Вселенной. Мы наш, мы новый рай построим.

Применений масса. Осталось только дожить до реализации всего этого великолепия.

Что такое квантовая запутанность и почему она важна?

Как ранее писало НВ, квантовая запутанность — это явление в теоретической физике, при котором квантовые состояния элементарных частиц оказываются связанными и взаимозаменяемыми на абсолютно любых расстояниях. Речь идет о расстояниях, которые выходят за пределы любых форм взаимодействия в классической физике.

Иными словами, частицы, которые находятся в состоянии квантовой запутанности, формируют единое целое и влияют друг на друга вне зависимости от расстояния между ними. При этом, измерение состояния одной из них оказывает влияние на другую частицу.

Альберт Эйнштейн называл квантовую запутанностьжутким взаимодействием на расстоянии». И не зря, ведь это квантовое явление противоречит его общей теории относительности.

К примеру, если взять два упомянутых выше электрона странного металла, которые будут находиться в состоянии квантовой запутанности, и разнести их в пространстве-времени на разные уголки Вселенной, — при измерении состояния первого электрона, состояние второго определится моментально и получит противоположное значение.

Это означает, что частицы в квантовом состоянии могут взаимодействовать друг с другом на скоростях, гораздо высших скорости света, что, согласно Эйнштейну, в принципе невозможно в условиях нашей Вселенной.

Среди прочего, квантовая запутанность является основой для многомировой интерпретации и многочисленных теорий о существовании параллельных Вселенных. В мае прошлого года физик-теоретик из США Брайан Свингл предложил теорию, согласно которой квантовые пары и их запутанности буквально формируют пространство-время во всей Вселенной, и все, что нас окружает — это своего рода голограмма квантового мира, в которой присутствует время.


Фото: Mark Garlick/Science Photo Library

В своей модели Свингл объединил законы пространства-времени Эйнштейна и некоторые свойства квантовой механики в антидеситтеровском пространстве — максимально симметричном пространстве с нулевой кривизной.

По его расчетам, четырехмерная структура пространства-времени(длина, ширина, глубина и время) может быть закодирована в трехмерном квантовом мире(с теми же измерениями, только без времени), а запутанные квантовые частицы, в таком случае, не только находятся вне пространства-времени, но и формируют его.

Кроме таких экзотических исследований, квантовая запутанность может нести и более практичный результат. В частности, полгода назад физики из Университета Глазго, подобно своим коллегам из Австрии и США, заявили об экспериментальном обнаружении квантовой запутанности двух фотонов, более известном как состояние Белла.

Ученые разработали специальную камеру, которая реагирует на потоки запутанных фотонов из квантового источника света. Фотоны были изображены на жидкокристаллической поверхности, с помощью которой можно управлять их состояниями.

Подобные исследования приближают нас к квантовому программированию и разработке полноценного квантового компьютера, в котором минимальная единица информации — кубит — может находится в двух состояниях одновременно.

В перспективе это может привести к серьезному увеличению вычислительных мощностей и настоящей революции в программировании. Однако, действующие квантовые компьютеры очень нестабильны из-за того, что квантовое состояние кубитов сложно поддерживать длительное время, не говоря уже о передаче информации через сверхпроводники, которые охлаждены до очень низких температур.

Фото: quantamagazine.org

Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике

Представьте себе пластину с двумя  щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.

Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу. Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить. Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.

Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами.  Что мы увидим на экране за пластиной?

Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?

Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются  волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица. Опять корпускулярно-волновой дуализм в физике.

Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.

Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета.
 

Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос. Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал. Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно. Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.

Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.

Как можно использовать квантовую запутанность?

Хотя запутанность может показаться каким-то волшебством, эксперименты показали, что она существует много лет. И она также может быть крайне полезной — связанные таким образом частицы можно использовать для передачи квантового состояния частицы, такого как спин, из одного места в другое мгновенно (телепортация). Они также могут помочь в хранении огромных объемов информации в определенном объеме (сверхплотная кодировка).

Помимо возможности хранить информацию, запутанность также может помочь в связывании и объединении вычислительной мощности систем в разных частях земного шара. Нетрудно понять, что это делает ее важным аспектом квантовых вычислений. Другим перспективным направлением является по-настоящему безопасная коммуникация. Все потому, что любая попытка вмешаться в систему с запутанными частицами мгновенно нарушит запутанность, сделав очевидным факт взлома канала связи.

Запутанные фотоны также можно использовать для улучшения разрешения методов визуализации. Ученые из Университета Ватерлоо в настоящее время надеются разработать квантовый радар, который сможет обнаруживать самолеты типа стелс.

Вихри в конденсате Бозе — Эйнштейна

Однако развернуть технологии на основе запутанности не так-то и просто. Потому что запутанность — очень хрупкое явление. Эксперименты с запутанностью обычно производят отдельные пары частиц. Однако одиночные частицы трудно с точностью обнаружить, и зачастую они теряются или скрываются в окружающем шуме. Поэтому задача ввести их в состояние запутанности, манипулировать ими для выполнения полезных операций и, наконец, просто использовать — все это невыносимо тяжело провернуть на практике.

Квантовая реальность

Квантовая запутанность есть целостность, неразрывность, единение на более глубоком уровне.

Если по каким-то параметрам частицы находятся в квантовой запутанности, то по этим параметрам их просто нельзя разделить на отдельные части. Они взаимозависимы. Такие свойства просто фантастические с точки зрения привычного мира, запредельные, можно сказать потусторонние и трансцендентные. Но это факт, от которого уже никуда не деться. Пора это уже признать.

Но к чему все это ведет?

Оказывается, о таком положении вещей давно говорили многие духовные учения  человечества.

Именно там кроются настоящие ответы на извечные вопросы о смысле жизни, настоящего развития человека, обретения счастья и здоровья.

И это не пустые слова.

Все это приводит к переосмыслению жизненных ценностей, пониманию того, что кроме бессмысленной гонкой за материальными благами есть что-то более важное и высокое. И эта реальность не где-то там, она окружает нас повсюду, она пронизывает нас, она как говорится «на кончиках наших пальцев»

Но давайте об этом поговорим в следующих статьях.

А сейчас посмотрите видео о квантовой запутанности.
 

 
От квантовой запутанности мы плавно переходим к теории декогеренции. Об этом в следующей статье.
 

Квантовые вычисления, которые будут сбивать с толку дедушек и бабушек будущего

 antgirl / flickr

Нет, квантовые вычисления не подразумевают использование крошечных компьютеров. Так называется новый подход к вычислительной мощности, в котором используются такие принципы, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность (об этом подробнее позже). Результат?

Мощный компьютер, размещенный в в Центре квантовых вычислений USC-Lockheed Martin, будет использован для изучения того, как и могут ли квантовые эффекты ускорить решение сложных задач оптимизации, машинного обучения и выборки. (Фото инженерной школы Университета Калифорнии в Витерби, США)

Возможность обрабатывать данные со скоростью, превышающей возможности классических компьютеров, и с бесконечным количеством приложений. Самый продвинутый квантовый компьютер в мире в настоящее время находится в Центре квантовых вычислений USC-Lockheed Martin, и, как и все ранние версии новых компьютеров, он до смешного огромен.

Мир согласно квантовой механики

Хоть концепции Ньютона и Эйнштейна кардинально отличаются, но в одном они сходятся – если каким-либо образом знать состояние Вселенной сейчас (положение, направление и скоростью каждой частицы), то используя законы физики можно предсказать состояние Вселенной как угодно далеко в будущем и прошлом.

Квантовая механика прерывает эту традицию. Мы не можем одновременно знать точное положение и скорость частицы. В лучшем случае можно лишь предсказать вероятность результата эксперимента. Квантовая механика была проверена десятилетиями точными экспериментами.

Несмотря на кардинальное расхождение теории Ньютона и Эйнштейна на природу пространства и времени, однако они согласуются в том, что можно воздействовать через пространство самыми разными способами, но в любом случае для воздействия необходимо преодолеть пространство с определенной скоростью не превышающей скорость света. Это свойство называются Вселенной локальностью. Оно утверждает, что можно воздействовать только на то, что находится вблизи, то есть локально.

Однако ряд экспериментов показал, что нечто, что делаем здесь, может быть тонким образом переплетено с чем-то, что происходит где-то там без передачи отсюда туда чего бы то ни было. Эйнштейн охарактеризовал это свойство «кошмаром». Однако оно согласуется с законами квантовой механики и было экспериментально доказано.

Из этого следует, что пространство больше нельзя рассматривать как прежде: промежуточное пространство, независимо от его величины, не дает гарантии, что два объекта разделены, поскольку квантовая механика допускает запутывание – определенный тип связи, которая может существовать между ними.

О теории струн, квантовой запутанности, телепортации и многом другом.

Что такое квантовая механика? Скажем так: это основная причина смерти кошек, но не главная причина их смерти. Если в вашу голову приходит (неуместная) шутка вроде этой, то вам точно нужно ознакомиться со списком фактов ниже.

Квантовая механика охватывает впечатляющий набор физических законов и теорий, которые исследуют такие вопросы, как состав Вселенной и возможность путешествий во времени, а также все, что между ними. И все, что внутри. И вокруг. И даже то, что мы не видим. О чем мы знаем и о чем не знаем.

Хорошая новость состоит в том, что в этом мы не одиноки. Еще никому не удалось раскрыть все тайны Вселенной. Поэтому мы предлагаем вам отправиться в путешествие через пространство-время, чтобы узнать несколько фактов из квантовой механики.

Вероятность и законы физики

Если электрон все-таки является волной, что же колеблется? Были выдвинуты разные теории, например, что электрон размазан в пространстве, однако это было быстро опровергнуто. В 1927 г. Макс Борн заявил, что волна – это нечто с чем наука еще не сталкивалась. Она является волной вероятности.

Борн описал это следующим образом: амплитуда волны в данной точке пространства пропорциональна вероятности обнаружения электрона в этой точке пространства. Из этого следует, что электрон с большей вероятностью можно обнаружить там, где амплитуда больше, с меньшей вероятностью – в областях с малой амплитудой. Если амплитуда равна нулю, то в этой области электрон не будет обнаружен.

Рис.2. Волна вероятности частицы

На рисунке выше изображена волна вероятности частицы, такой как электрон. Она говорит о том, с какой вероятностью можно обнаружить электрон в определенных местах. Однако никто никогда не видел волны вероятности, да и не увидят, согласно представлениям квантовой механики. Такая картинка получилась в результате решения математических уравнений. Проверить выведенную теоретически волну вероятности можно следующим образом – воспроизвести в эксперименте эти условия и измерять в каком месте обнаружиться электрон и так повторить много раз, фиксируя каждый результат. Однако это противоречит принципам Ньютона, которые говорят, что при идентичных экспериментах и начальных условиях результат должен быть одним и тем же. За восемьдесят лет было проведено много экспериментов и все результаты были предсказаны с большой точностью квантовой механикой.

Таким образом, квантовая механика показала, что электрон – составляющая материи, которая занимает ничтожно малую область в пространстве – описывается так же волной, простирающейся на всю Вселенную. Этот корпускулярно-волновой дуализм присущ всем составляющим частям природы, даже протону и нейтрону.

В отличие от вероятности, которую люди привыкли использовать в повседневной жизни из-за нехватки информации или вычислительных мощностей, в квантовой механике она носит иной характер. Независимо от качества сбора данных или повышения вычислительных мощностей, лучшее, что можно сделать – предсказать только вероятность того или иного события. В микрокосмосе правит вероятность.

По итогу интерференцию в эксперименте с двумя щелями можно объяснить следующим образом. Каждый электрон описывается волной вероятности. При испускании электрона волна вероятности проходит через обе щели. После чего они накладываются друг на друга. Это приводит к тому, что в некоторых местах они усиливают друг друга, в других гасят. Соответственно область разбивается на части куда электрон попадет с большей или меньшей вероятностью. С течением времени, испуская электроны, таким образом вырисовывается интерференционная картина.