Mecanica cuantică este ciudată. Teoria, care descrie funcționarea particulelor și forțelor minuscule, l-a făcut pe notorietate pe Albert Einstein atât de incomod încât în 1935 el și colegii săi au afirmat că trebuie să fie incompletă - era prea „înfricoșător” pentru a fi real.
Continut Asemanator
- Oamenii de știință prind pisica lui Schrödinger pe cameră
- Șapte moduri simple despre care știm că Einstein avea dreptate (deocamdată)
- Fizica ciudată poate face o pisică invizibilă să fie vizibilă
- Lockheed Martin are calculatoarele cuantice rapid-nebunești și planifică utilizarea lor efectivă
Problema este că fizica cuantică pare să sfideze noțiunile de bun-simț de cauzalitate, localitate și realism. De exemplu, știi că luna există chiar și atunci când nu te uiți la ea - acesta este realismul. Cauzalitatea ne spune că dacă aprindeți un întrerupător, becul se va lumina. Și mulțumită unei limite grele a vitezei luminii, dacă apasă un întrerupător acum, efectul aferent nu se poate produce instantaneu la un milion de ani-lumină distanță, în funcție de localitate. Cu toate acestea, aceste principii se descompun pe tărâmul cuantic. Poate că cel mai faimos exemplu este legătura cuantică, care spune că particulele de pe laturile opuse ale universului pot fi legate intrinsec, astfel încât să împărtășească informații instantaneu - idee care l-a determinat pe Einstein să se bată.
Dar în 1964, fizicianul John Stewart Bell a dovedit că fizica cuantică era de fapt o teorie completă și funcțională. Rezultatele sale, numite acum Teorema lui Bell, au dovedit în mod eficient că proprietățile cuantice precum înțelegerea sunt la fel de reale ca luna, iar astăzi comportamentele bizare ale sistemelor cuantice sunt valorificate pentru a fi utilizate într-o varietate de aplicații din lumea reală. Iată cinci dintre cele mai interesante:
Un ceas de stronțiu, dezvăluit de NIST și JILA în ianuarie, va păstra timpul precis pentru următorii 5 miliarde de ani. (Grupul Ye și Brad Baxley, JILA) Ceasuri ultra-precise
Orarul de încredere este mai mult decât simpla alarmă de dimineață. Ceasurile sincronizează lumea noastră tehnologică, păstrând linii precum piețele bursiere și sistemele GPS. Ceasurile standard folosesc oscilațiile obișnuite ale obiectelor fizice, cum ar fi pendulele sau cristalele de cuarț pentru a produce „căpușele” și „căpușele” lor. Astăzi, cele mai precise ceasuri din lume, ceasurile atomice, sunt capabile să folosească principii ale teoriei cuantice pentru a măsura timpul. Ei monitorizează frecvența de radiație specifică necesară pentru a face electronii să sară între nivelurile de energie. Ceasul cuantică-logică de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA (NIST) din Colorado pierde sau câștigă doar o secundă la fiecare 3, 7 miliarde de ani. Iar ceasul de stronțiu NIST, dezvăluit la începutul acestui an, va fi atât de precis pentru 5 miliarde de ani - mai mult decât vârsta actuală a Pământului. Astfel de ceasuri atomice super-sensibile ajută la navigarea prin GPS, telecomunicații și control.
Precizia ceasurilor atomice se bazează parțial pe numărul de atomi utilizați. Păstrat într-o cameră de vid, fiecare atom măsoară independent timpul și veghează asupra diferențelor locale aleatorii între el și vecinii săi. Dacă oamenii de știință înghesuie de 100 de ori mai mulți atomi într-un ceas atomic, acesta devine de 10 ori mai precis, dar există o limită pentru câți atomi puteți strecura. Următorul mare obiectiv al cercetătorilor este să folosească cu succes înțelegerea pentru a spori precizia. Atomii încurcați nu ar fi preocupați de diferențele locale și, în schimb, nu vor măsura decât trecerea timpului, reunindu-le efectiv ca un singur pendul. Asta înseamnă că adăugarea de 100 de ori mai mulți atomi într-un ceas încurcat ar face de 100 de ori mai precis. Ceasurile încurcate ar putea fi chiar legate pentru a forma o rețea mondială care ar măsura timpul independent de locație.
Observatorii vor avea un moment dificil să pirateze corespondența cuantică. (VOLKER STEGER / Biblioteca foto științifică / Corbis) Coduri de neatins
Criptografia tradițională funcționează folosind chei: un expeditor folosește o cheie pentru a codifica informațiile, iar un destinatar folosește o alta pentru a decoda mesajul. Cu toate acestea, este dificil să înlăturați riscul apariției unui ouvesdropper, iar tastele pot fi compromise. Aceasta poate fi rezolvată folosind distribuția cheilor cuantice (QKD). În QKD, informațiile despre cheie sunt trimise prin fotoni care au fost polarizați aleatoriu. Acest lucru restricționează fotonul astfel încât acesta să vibreze într-un singur plan - de exemplu, în sus și în jos sau la stânga spre dreapta. Destinatarul poate utiliza filtre polarizate pentru a descifra cheia și apoi poate folosi un algoritm ales pentru a cripta în siguranță un mesaj. Datele secrete sunt încă transmise pe canale normale de comunicare, dar nimeni nu poate decodifica mesajul decât dacă au cheia cuantică exactă. Este dificil, deoarece regulile cuantice dictează faptul că „citirea” fotonilor polarizați își va schimba întotdeauna stările și orice încercare de observare va avertiza comunicatorii cu privire la o încălcare a securității.
Astăzi companii precum BBN Technologies, Toshiba și ID Quantique folosesc QKD pentru a proiecta rețele ultra-sigure. În 2007, Elveția a încercat un produs ID Quantique pentru a furniza un sistem de votare rezistent la modificări în timpul alegerilor. Și primul transfer bancar folosind QKD încurcat a mers înainte în Austria în 2004. Acest sistem promite a fi extrem de sigur, deoarece, dacă fotonii sunt încurcați, orice modificare a stărilor lor cuantice efectuată de interlopere ar fi imediat evidentă pentru oricine monitorizează purtătorul de chei. particule. Dar acest sistem nu funcționează încă pe distanțe mari. Până în prezent, fotoni încurcați au fost transmise pe o distanță maximă de aproximativ 88 de mile.
Closeup-ul unui computer D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Calculatoare super-puternice
Un computer standard codifică informația ca o șir de cifre binare sau biți. Puterea de procesare a supraîncărcării calculatoarelor cuantice, deoarece utilizează biți cuantici sau qubit-uri, care există într-o superpoziție de stări - până când sunt măsurate, qubit-urile pot fi atât „1” cât și „0” în același timp.
Acest câmp este încă în dezvoltare, dar s-au făcut pași în direcția bună. În 2011, D-Wave Systems a dezvăluit D-Wave One, un procesor pe 128 de qubit, urmat un an mai târziu de D-Wave Two de 512-qubit. Compania spune că acestea sunt primele computere cuantice disponibile din lume. Cu toate acestea, această afirmație a fost întâmpinată cu scepticism, în parte, deoarece nu este încă clar dacă ștampilele lui D-Wave sunt încurcate. Studiile publicate în mai au găsit dovezi de înțelegere, dar numai într-un mic subset de birocrațiile computerului. Există, de asemenea, incertitudinea dacă cipurile afișează vreun ritm de încredere cuantic. Totuși, NASA și Google s-au alăturat pentru a forma Laboratorul de informații artificiale cuantice bazat pe un D-Wave Two. Și oamenii de știință de la Universitatea din Bristol anul trecut au conectat unul dintre cipurile lor cuantice tradiționale la Internet, astfel încât oricine are un browser web să învețe codarea cuantică.
Ținând cu ochiul ascuțit asupra îmbinării (Ono și colab., Arxiv.org) Microscoape îmbunătățite
În februarie, o echipă de cercetători de la Universitatea Hokkaido din Japonia a dezvoltat primul microscop din lume îmbunătățit prin îmbinare, folosind o tehnică cunoscută sub denumirea de microscopie de contrast diferențial. Acest tip de microscop trage două fascicule de fotoni la o substanță și măsoară modelul de interferență creat de fasciculele reflectate - modelul se schimbă în funcție de faptul dacă lovesc o suprafață plană sau inegală. Utilizarea fotonilor încurcați crește mult cantitatea de informații pe care microscopul le poate strânge, deoarece măsurarea unui foton încurcat oferă informații despre partenerul său.
Echipa Hokkaido a reușit să imagineze un „Q” gravat care se afla la doar 17 nanometri deasupra fundalului cu o claritate fără precedent. Tehnici similare ar putea fi utilizate pentru a îmbunătăți rezoluția instrumentelor astronomice numite interferometre, care suprapun diferite unde de lumină pentru a analiza mai bine proprietățile lor. Interferometrele sunt utilizate la vânătoarea planetelor extrasolare, pentru sondarea stelelor din apropiere și pentru căutarea ondulărilor în spațiu numite unde gravitaționale.
Robinul european poate fi un natural cuantic. (Andrew Parkinson / Corbis) Busole biologice
Oamenii nu sunt singurii care folosesc mecanica cuantică. O teorie principală sugerează că păsările precum rovinul european folosesc acțiunea înfricoșătoare pentru a urmări în timp ce migrează. Metoda implică o proteină sensibilă la lumină numită criptocrom, care poate conține electroni încurcați. Pe măsură ce fotonii intră în ochi, aceștia lovesc moleculele criptochrome și pot furniza suficientă energie pentru a le despărți, formând două molecule reactive, sau radicali, cu electroni neasociați, dar încă încurcați. Câmpul magnetic din jurul păsării influențează cât durează acești radicali criptocromi. Se consideră că celulele din retina păsării sunt foarte sensibile la prezența radicalilor încurcați, permițând animalelor să „vadă” eficient o hartă magnetică bazată pe molecule.
Totuși, acest proces nu este pe deplin înțeles și există o altă opțiune: sensibilitatea magnetică a păsărilor s-ar putea datora micilor cristale de minerale magnetice din ciocurile lor. Totuși, dacă înțelegerea este într-adevăr în joc, experimentele sugerează că starea delicată trebuie să dureze mult mai mult în ochiul unei păsări decât în cele mai bune sisteme artificiale. Busola magnetică ar putea fi aplicabilă și anumitor șopârlele, crustaceele, insectele și chiar unele mamifere. De exemplu, o formă de criptocrom folosită pentru navigația magnetică la muște a fost de asemenea găsită în ochiul uman, deși nu este clar dacă este sau cândva a fost utilă pentru un scop similar.
