Витівки Бога. Як фізики засікли найнезвичайніше явище у квантовому світі - фото

Витівки Бога. Як фізики засікли найнезвичайніше явище у квантовому світі

29 січня 2020, 20:00

Вчені з Австрії та США експериментально підтвердили перехід частинок у стан квантової заплутаності

Коротко:

що таке квантова критичність і квантова заплутаність

як фізики виявили фантастичні властивості металів

у чому основна проблема квантових комп’ютерів

Відео дня

Одне з найзагадковіших явищ у квантовій механіці — взаємозаплутаний стан найдрібніших частинок. У цьому стані частинки можуть порушувати відомі нам закони фізики і виявляти буквально фантастичні властивості. Група вчених з Австрії та США нещодавно заявила про новий метод спостережень за переходом частинок у стан квантової заплутаності.

С прийняття довкілля з позиції людини не обіцяє нам нічого особливо цікавого. У видимому нам світі всі об'єкти взаємодіють один з одним за давно описаними законами фізики, і, наприклад, кидаючи ключі від під'їзду з вікна багатоповерхівки вашому знайомому, який прийшов у гості, — ви можете точно визначити, в якому місці на клумбі вони впадуть.

Все стає набагато цікавіше, якщо спостерігати за поведінкою довкілля в мікромасштабах. Скажімо, розгледіти в надпотужний мікроскоп, з чого складаються неподільні частки атомів у ключах, які ми кидаємо з вікна.

У цьому неподільному, а точніше, квантовому світі елементарні частинки поводяться настільки непередбачувано, що кидок ключів і визначення їх місця на клумбі можуть здатися нам не усвідомленим вибором, а частиною процесів взаємодії цих частинок у складній системі, яка існує паралельно з доступним нам фізичним світом.

Вчені знають, що факт спостереження за квантовою системою може порушити її цілісність. Проте дослідники з усього світу вже кілька разів фіксували незрозумілі квантові процеси, які відбуваються всупереч звичним нам законам фізики.

Одними з таких «щасливців» стали фізики-експериментатори з Австрії та США, які в своєму недавньому експерименті засікли перехід елементарних частинок у стан квантової заплутаності.

Pixabay

Фото: Pixabay

Що побачили вчені?


Фізики з Віденського технічного університету й Університету Вільяма Марша Райса у США днями опублікували дослідження, згідно з яким вони знайшли спосіб спостереження за переходом у стан квантової заплутаності мільярдів електронів у металевій плівці.

Як піддослідний матеріал вчені використовували так званий «дивний метал» — сплав ітербію, родію і кремнію, який у наднизьких температурах виявляє незвичайні властивості.

Як пояснює один з авторів експерименту Сілке Бюлер-Ріллей з Віденського технічного університету, у дивних металів простежується незвичайний зв’язок між електричним опором і їх температурою. «На відміну від простих металів, таких як мідь або золото, це, ймовірно, пов’язано не з тепловим рухом атомів, а з квантовими коливаннями при абсолютній нульовій температурі», — говорить Бюлер-Ріллей.

Охолодивши дивний метал до температури майже мінус 273 градуси за Цельсієм, вчені засікли у електронів цього матеріалу стан квантової критичності — перехідний момент, який у класичній фізиці можна порівняти зі зміною агрегатного стану речовини між твердим, газоподібним і рідким.

Професор Інституту теоретичної фізики ім. Ландау Костянтин Єфетов пише, що квантова критичність — це поведінка елементарних частинок при нульовій температурі, для якої характерне руйнування металевого стану.

Joshua Sortino / Unsplash
Фото: Joshua Sortino / Unsplash

«Електрони поводяться більшою мірою не як стійкі квазічастинки, а стають важкими і короткоживучими, істотно змінюючи термодинамічні й транспортні властивості таких матеріалів. Квантові критичні точки (QCP) належать до числа найсильніших збурень, які можуть бути привнесені в металевий стан», — пояснює Єфетов.

Фізики з Австрії та США змогли експериментально засікти стан квантової критичності за допомогою охолодження дивного металу: при наднизьких температурах раптово змінилася структура речовини і властивості електронів, що змусило мільярди цих елементарних частинок перейти в стан квантової заплутаності й поводитися як єдине ціле.

«Коли ми говоримо про квантову заплутаність, ми зазвичай думаємо про світ частинок і не асоціюємо її з макроскопічними об'єктами. З іншого боку, якщо досягти квантової критичної точки, то у нас з’являється можливість побачити цей феномен у металевій плівці, яка містить мільярди мільярдів пов’язаних квантових об'єктів», — розповідає автор роботи, фізик з Університету Вільяма Марша Райса Цімяо Сі.

Найскладнішим у цьому експерименті було створення найчистішого зразка дивного металу, на що у дослідників пішло кілька років. Після цього фізики вивчали, як його електрони поводяться при охолодженні і взаємодіють з пучками терагерцового випромінювання, яке знаходиться в діапазоні між інфрачервоними і надвисокочастотними хвилями.

Ключовим моментом дослідження стало виявлення взаємозалежності між температурою і частотою квантових коливань, що і є основною ознакою квантової критичності.

По суті, завдяки виявленню квантової критичності в електронах дивного металу, вчені засікли момент їх переходу в сингулярний стан. Досягнення цієї сингулярності — тобто квантової заплутаності — обіцяє величезні перспективи у створенні надпровідників, які є основою для квантових комп’ютерів.

«Концептуально, це дійсно був експеримент мрії … Наші результати показують, що квантова критичність може привести до створення платформи як для квантової інформації, так і для високотемпературної надпровідності. Коли хтось споглядає таку можливість — він не може не дивуватися чуду природи», — говорить Цімяо Сі.

naked-science.ru

Фото: naked-science.ru

Що таке квантова заплутаність і чому вона важлива?


Як раніше писало НВ, квантова заплутаність — це явище в теоретичній фізиці, при якому квантові стани елементарних частинок виявляються пов’язаними і взаємозамінними на абсолютно будь-яких відстанях. Йдеться про відстані, які виходять за межі будь-яких форм взаємодії в класичній фізиці.

Іншими словами, частинки, які перебувають у стані квантової заплутаності, формують єдине ціле і впливають один на одного незалежно від відстані між ними. Водночас вимір стану однієї з них впливає на іншу частинку.

Альберт Ейнштейн називав квантову заплутаність «моторошною взаємодією на відстані». І не дарма, адже це квантове явище суперечить його загальній теорії відносності.

Наприклад, якщо взяти два згаданих вище електрони дивного металу, які будуть перебувати в стані квантової заплутаності, і рознести їх у просторі-часі на різні куточки Всесвіту, — при вимірюванні стану першого електрона, стан другого визначиться моментально і отримає протилежне значення.

Це означає, що частинки в квантовому стані можуть взаємодіяти одна з одною на швидкостях, набагато вищих швидкості світла, що, згідно з Ейнштейном, в принципі неможливо в умовах нашого Всесвіту.

Серед іншого, квантова заплутаність є основою для багатовсітової інтерпретації і численних теорій про існування паралельних всесвітів. У травні минулого року фізик-теоретик з США Брайан Свінгл запропонував теорію, згідно з якою квантові пари і їх заплутаності буквально формують простір-час у всьому Всесвіті, і все, що нас оточує — це своєрідна голограма квантового світу, в якій присутній час.

Mark Garlick / Science Photo Library
Фото: Mark Garlick / Science Photo Library

У своїй моделі Свінгл об'єднав закони простору-часу Ейнштейна і деякі властивості квантової механіки в антидесіттерівському просторі — максимально симетричному просторі з нульовою кривизною.

За його розрахунками, чотиривимірна структура простору-часу (довжина, ширина, глибина і час) може бути закодована в тривимірному квантовому світі тими ж вимірами, тільки без часу), а заплутані квантові частинки, в такому випадку, не тільки виходять за межі простору-часу, а й формують його.

Крім таких екзотичних досліджень, квантова заплутаність може нести й більш практичний результат. Зокрема, півроку тому фізики з Університету Глазго, подібно своїм колегам з Австрії та США, заявили про експериментальне виявлення квантової заплутаності двох фотонів, більш відоме як стан Белла.

Вчені розробили спеціальну камеру, яка реагує на потоки заплутаних фотонів з квантового джерела світла. Фотони були зображені на рідкокристалічній поверхні, за допомогою якої можна управляти їх станами.

Подібні дослідження наближають нас до квантового програмування і розроблення повноцінного квантового комп’ютера, в якому мінімальна одиниця інформації — кубіт — може перебувати в двох станах одночасно.

У перспективі це може призвести до серйозного збільшення обчислювальних потужностей і справжньої революції в програмуванні. Однак, діючі квантові комп’ютери дуже нестабільні через те, що квантовий стан кубітів складно підтримувати тривалий час, не кажучи вже про передачу інформації через надпровідники, які охолоджені до дуже низьких температур.

quantamagazine.org

Фото: quantamagazine.org

Проблеми квантових комп’ютерів


Незважаючи на недавню заяву Google про досягнення квантової переваги за допомогою їх експериментального процесора Sycamore, поки що не існує ефективних обчислювальних пристроїв, принцип роботи яких був би заснований на квантовій взаємодії частинок.

Це відразу ж підтвердили головні конкуренти Google з квантових комп’ютерів — компанія IBM, представники якої заявили, що їх «звичайний» суперкомп’ютер Summit легко виконає обчислення, якими хвалилися в Google зі своїм Sycamore.

Так, кубіти в квантових комп’ютерах дійсно можуть перебувати у двох станах одночасно і обробляти набагато більше інформації. Але через нестабільність надпровідних матеріалів, які можуть переходити в квантовий стан лише на деякий час, все обчислення діючих квантових комп’ютерів носять лише технічних характер і не становлять особливої цінності для науки.

До речі, рішення цієї проблеми нещодавно пропонували вчені з того ж австрійського Інституту науки і техніки: кілька місяців тому фізики розробили прототип пристрою для об'єднання інформації про обчислення квантових комп’ютерів зі звичайними.

Їх будова — механічний генератор для створення заплутаного випромінювання між квантовими комп’ютерами — знову-таки стосується явища квантової заплутаності і передбачає, що в такому стані можуть бути не тільки елементарні частинки, але й випромінювання цих частинок.

IST Austria / Philip Krantz, Krantz NanoArt
Фото: IST Austria / Philip Krantz, Krantz NanoArt

«Уявіть собі коробку з двома отворами. Якщо отвори заплутані, можна охарактеризувати випромінювання, що виходить з одного отвору, дивлячись на інше», — писали автори роботи. У своєму експерименті фізики з Австрії вперше використовували механічний об'єкт: за допомогою кремнієвого джерела випромінювання, довжиною в 30 мікрометрів, вчені підтвердили існування заплутаного випромінювання, що теоретично може означати обмін інформацією на відстані.

Така технологія може дозволити об'єднати випромінювання мікрохвильових імпульсів у квантових комп’ютерах з мікрохвильовими імпульсами вже приборканого нами оптичного волокна. Це означає, що між «холодними» надпровідниками у квантових комп’ютерах і пристроями, які передають інформацію при кімнатній температурі можна встановити з'єднання, і зчитувати дані про квантові обчислення.

У цей же час фізики з університету Іллінойсу і Гамбурзького університету й зовсім запропонували використати як кубіти ферміони Майорани — квазічастинки, які одночасно є своїми античастинками. У стані заплутаності ці частинки нібито дуже стабільні і їх можна використовувати для зберігання інформації.

Вчені з Німеччини та США вперше засікли ферміони Майорани в експерименті з надпровідником з ренію, — цей матеріал не має електричного опору при температурах близько шести градусів за Кельвіном (-267 °C). Автори дослідження заявили, що наступним кроком для створення квантових комп’ютерів має бути інженерне рішення для управління кубітами Майорани і збільшення з їх допомогою комп’ютерних потужностей.

Очевидно, що дослідження квантових станів надпровідників поки що перебувають на початковому етапі, але саме такі експерименти обіцяють величезні перспективи для розвитку альтернативної фізики і революційних відкриттів у різних сферах життя людини.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Діліться матеріалом




Радіо НВ
X