Tilbage i 1920'erne var kvantemekanikken, teorien der ligger til grund for alt fra atomers opførsel til driften af kvantecomputere, på vej til at vinde bred accept. Men et mysterium forblev: nogle gange opfører kvanteobjekter, såsom elektroner, atomer og molekyler, sig som partikler, andre som bølger. Nogle gange opfører de sig endda som partikler og bølger på samme tid. Derfor, når de studerede disse kvanteobjekter, var det aldrig klart, hvilken tilgang videnskabsmænd skulle bruge i deres beregninger.
Nogle gange måtte videnskabsmænd antage, at kvanteobjekter var bølger for at få det korrekte resultat. I andre tilfælde måtte de antage, at genstandene faktisk var partikler. Nogle gange virkede begge tilgange. Men i andre tilfælde gav kun én tilgang det korrekte resultat, mens den anden gav et falsk resultat. Historien om dette problem går langt tilbage, men nyere eksperimenter har kastet nyt lys over dette gamle spørgsmål.
Kvantehistorie
I dobbeltspalteeksperimentet af samme navn, som først blev udført af Thomas Young i 1801, opførte lys sig som bølger. I dette eksperiment rettes en laserstråle mod en dobbelt spalte, og derefter ses det resulterende mønster. Hvis lys bestod af partikler, ville man forvente to spalteformede lysblokke. I stedet bliver resultatet mange små lysblokke arrangeret i et karakteristisk mønster. At placere en dobbelt spalte i vandstrømmen ville resultere i det samme mønster lige under. Så dette eksperiment førte til den konklusion, at lys er en bølge.
Så i 1881 gjorde Heinrich Hertz en sjov opdagelse. Da han tog to elektroder og påførte en tilstrækkelig høj spænding mellem dem, opstod der gnister. Dette er normalt. Men da Hertz lyste lys på disse elektroder, ændrede gnistspændingen sig. Dette blev forklaret med, at lyset slog elektroner ud af elektrodematerialet. Men mærkeligt nok ændrede den maksimale hastighed af de udstødte elektroner sig ikke, hvis lysets intensitet ændrede sig, men ændrede sig med lysets frekvens. Dette resultat ville være umuligt, hvis bølgeteorien var sand. I 1905 havde Albert Einstein en løsning: lys var faktisk en partikel. Alt dette var utilfredsstillende. Forskere foretrækker én teori, der altid er sand, frem for to teorier, der nogle gange er sande. Og hvis en teori kun er sand nogle gange, så vil vi i det mindste gerne kunne sige, under hvilke betingelser den er sand.
Men det var netop problemet med denne opdagelse. Fysikere vidste ikke, hvornår de skulle betragte lys eller andre objekter som en bølge, og hvornår som en partikel. De vidste, at nogle ting forårsager bølgelignende adfærd, såsom kanterne af spalter. Men de havde ikke en klar forklaring på, hvorfor det er sådan, eller hvornår man skal bruge nogen teori.
Denne gåde kaldes korpuskulær-bølge dualisme, er stadig bevaret. Men en ny undersøgelse kan kaste lidt lys over situationen. Forskere fra Korea Institute of Basic Sciences har vist, at lyskildens egenskaber påvirker, hvor meget det er en partikel, og hvor meget det er en bølge. Med en ny tilgang til at studere dette problem har de banet en vej, der endda kan føre til forbedringer inden for kvanteberegning. Eller sådanne håb.
Også interessant: Googles kvanteprocessorer tager tidskrystaller ud over teori
Hvordan man laver partikler og bølger
I eksperimentet brugte forskerne et semi-reflekterende spejl til at opdele laserstrålen i to dele. Hver af disse stråler rammer krystallen, som igen producerer to fotoner. Der udsendes i alt fire fotoner, to fra hver krystal.
Forskerne sendte en foton fra hver krystal ind i interferometeret. Denne enhed kombinerer to lyskilder og skaber et interferensmønster. Dette mønster blev først opdaget af Thomas Young i sit førnævnte eksperiment med to spalter. Det er også det, man ser, når man kaster to sten i en dam: krusninger af vand, hvoraf nogle forstærker hinanden og andre neutraliserer hinanden. Med andre ord registrerer interferometeret lysets bølgenatur.
De to andre fotoners stier blev brugt til at bestemme deres korpuskulære karakteristika. Selvom forfatterne af papiret ikke specificerede, hvordan de gjorde dette, sker det normalt ved at føre en foton gennem et materiale, der viser, hvor fotonen gik hen. For eksempel kan du skyde en foton gennem en gas, som så vil antænde, hvor fotonen passerede. Ved at fokusere på banen frem for den endelige destination, kan fotonen være en bølge. Dette skyldes, at hvis du måler den nøjagtige placering af fotonen i hvert tidspunkt af tiden, så er den punktlignende og kan ikke ramme sig selv.
Dette er et af mange eksempler inden for kvantefysik, hvor en måling aktivt påvirker resultatet af den nævnte måling. Derfor var interferensmønsteret i slutningen af fotonbanen i denne del af eksperimentet fraværende. Således fandt forskerne ud af, hvordan en foton kan være en partikel. Udfordringen var nu at kvantificere, hvor meget af denne var en partikel, og hvor meget der var tilbage af bølgekarakteren.
Da begge fotoner af den samme krystal produceres sammen, danner de en enkelt kvantetilstand. Det betyder, at det er muligt at finde en matematisk formel, der beskriver begge disse fotoner samtidigt. Som et resultat, hvis forskere kan kvantificere, hvor stærk "partialiteten" og "bølgelængden" af to fotoner er, kan denne kvantificering anvendes på hele strålen, der når krystallen.
Det lykkedes faktisk for forskerne. De målte, hvor bølget fotonen var ved at kontrollere synligheden af interferensmønsteret. Når sigtbarheden var høj, var fotonen meget bølgeagtig. Da mønsteret knap var synligt, konkluderede de, at fotonen må være meget lig en partikel.
Og denne synlighed var tilfældig. Det var det højeste, når begge krystaller modtog den samme intensitet af laserstrålen. Men hvis strålen fra den ene krystal var meget mere intens end den anden, blev synligheden af mønsteret meget svag, og fotonerne var mere tilbøjelige til at ligne partikler.
Dette resultat er overraskende, fordi lys i de fleste eksperimenter kun måles i form af bølger eller partikler. I dag blev begge parametre i flere forsøg målt samtidigt. Det betyder, at det er nemt at bestemme, hvor meget af hver egenskab en lyskilde har.
Også interessant: QuTech lancerer en browser til kvanteinternettet
Teoretiske fysikere er glade
Dette resultat svarer til den forudsigelse, som teoretikere tidligere har lavet. Ifølge deres teori afhænger hvor bølgelignende og korpuskulær et kvanteobjekt er af kildens renhed. Renhed i denne sammenhæng er blot en fancy måde at udtrykke sandsynligheden for, at en bestemt krystallinsk kilde vil være den, der udsender lyset. Formlen er som følger: V2 + P2 = µ2, hvor V er synligheden af retningsmønsteret, P er synligheden af stien, og µ er kildens renhed.
Det betyder, at et kvanteobjekt som lys til en vis grad kan være bølgelignende og til en vis grad partikelagtigt, men dette er begrænset af kildens renhed. Et kvanteobjekt er bølgelignende, hvis et interferensmønster er synligt, eller hvis værdien af V ikke er lig med nul. Det er også partikel-lignende, hvis stien er observerbar, eller hvis P ikke er nul.
En anden konsekvens af denne forudsigelse er, at renhed er, at hvis sammenfiltringen af kvantestien er høj, er renheden lav, og omvendt. Forskerne, der udførte eksperimentet, viste dette matematisk i deres arbejde. Ved at indstille renheden af krystallerne og måle resultaterne, var de i stand til at vise, at disse teoretiske forudsigelser faktisk var korrekte.
Også interessant: NASA vil lancere kvantecomputere til at behandle og lagre "bjerge" af data
Hurtigere kvantecomputere?
Forbindelsen mellem sammenfiltringen af et kvanteobjekt og dets korpuskulærhed og bølgeform er særligt interessant. De kvanteenheder, der kunne drive kvanteinternettet, er baseret på sammenfiltring. Kvanteinternettet er en kvanteanalogi af, hvad internettet er for klassiske computere. Ved at forbinde mange kvantecomputere sammen og give dem mulighed for at dele data, håber forskerne at få mere kraft, end der kunne opnås med en enkelt kvantecomputer.
Men i stedet for at sende bits ned i en optisk fiber, hvilket er, hvad vi gør for at drive det klassiske internet, er vi nødt til at sammenfiltre qubits for at danne kvanteinternettet. At kunne måle sammenfiltringen af en partikel og bølgekraften af en foton betyder, at vi kan finde enklere måder at kontrollere kvaliteten af kvanteinternettet på.
Derudover kan kvantecomputere selv blive bedre ved at bruge partikel-bølge dualisme. Ifølge forslag fra forskere fra Kinas Tsinghua-universitet er det muligt at køre en lille kvantecomputer gennem et multi-spaltegitter for at øge dens kraft. En lille kvantecomputer ville bestå af nogle få atomer, der selv bruges som qubits, og sådanne enheder findes allerede.
At føre disse atomer gennem et multispaltegitter ligner meget at sende lys gennem en dobbelt spalte, selvom det selvfølgelig er lidt mere kompliceret. Dette vil skabe flere mulige kvantetilstande, hvilket igen vil øge den "fyrede" computers kraft. Matematikken bag dette er for kompliceret til at forklare i dette papir, men det vigtige resultat er, at sådan en to-kvantecomputer kan være bedre til parallel beregning end konventionelle kvantecomputere. Parallel computing er også almindelig i klassisk computing og refererer dybest set til en computers evne til at udføre flere beregninger samtidigt, hvilket gør det hurtigere generelt.
Så selvom dette er meget grundlæggende forskning, er mulige anvendelser allerede i horisonten. I øjeblikket er det umuligt at bevise, men disse opdagelser kan fremskynde kvantecomputere og en smule fremskynde fremkomsten af kvanteinternettet.
Også interessant: Kina har skabt en kvantecomputer, der er en million gange stærkere end Googles
Meget grundlæggende, men meget interessant
Alt dette skal tages med stor skepsis. Forskningen er solid, men den er også meget grundlæggende. Som det normalt er tilfældet inden for videnskab og teknologi, er der langt fra grundforskning til virkelige applikationer.
Men forskere fra Korea opdagede en meget interessant ting: mysteriet om partikelbølgedualisme vil ikke forsvinde i den nærmeste fremtid. Tværtimod synes det at være så dybt forankret i alle kvanteobjekter, at det er bedre at bruge det. Med det nye kvantitative grundlag relateret til kildens renhed vil dette være lettere at gøre.
Et af de første anvendelsestilfælde kan forekomme i kvanteberegning. Som videnskabsmænd har vist, hænger kvantesammenfiltring og partikelbølgedualisme sammen. I stedet for sammenfiltring kunne mængden af bølgethed og korpuskulærhed således måles. Dette kunne hjælpe forskere, der arbejder på at skabe et kvanteinternet. Eller du kan bruge dobbelthed at forbedre kvantecomputere og gøre dem hurtigere. Uanset hvad, så ser det ud til, at spændende kvantetider er lige om hjørnet.
Læs også:
Tak for artiklen! "Mulige programmer er allerede i horisonten" - nok ikke programmer, men applikationer?
Tak, meget interessant. Flere sådanne artikler.
Tak skal du have! Vi vil forsøge ;)