Събитията с най-малък мащаб имат гигантски последствия. И никоя научна област не доказва това по-добро от квантовата физика, която изследва странното поведение на - най-вече - много малки неща. През 2019 г. квантовите експерименти отидоха на нови и още по-непознати места, а практическите квантови изчисления бяха все по-близо до реалността, въпреки някои спорове. Това бяха най-важните и изненадващи квантови събития на 2019 година.
Google твърди „квантово надмощие“
Ако една квантова новина от 2019 г. прави книгите по история, вероятно това ще бъде голямо съобщение, което дойде от Google: Технологичната компания обяви, че е постигнала "квантово надмощие". Това е фантастичен начин да кажем, че Google е създал компютър, който може да изпълнява определени задачи по-бързо, отколкото всеки класически компютър може. (Категорията на класическите компютри включва всяка машина, която разчита на обикновени стари 1 и 0, например устройството, което използвате за четене на тази статия.)
Заявлението на Google за квантово превъзходство, ако бъде потвърдено, ще означава преклонен момент в историята на изчислителната техника. Квантовите компютри разчитат на странни дребномащабни физически ефекти като заплитане, както и на някои основни несигурности в нано-Вселената, за да извършат своите изчисления. На теория това качество дава на тези машини определени предимства пред класическите компютри. Те могат лесно да разбият класическите схеми за криптиране, да изпращат перфектно криптирани съобщения, да пускат някои симулации по-бързо, отколкото класическите компютри и като цяло могат много лесно да решават трудни проблеми. Трудността е, че никой никога не е направил квантов компютър достатъчно бързо, за да се възползва от тези теоретични предимства - или поне никой не е имал до подвига на Google тази година.
Не всеки обаче купува претенцията за върховенство на технологичната компания. Subhash Kak, квантов скептик и изследовател от Държавния университет в Оклахома, изложи няколко от причините в тази статия за Live Science.
Прочетете повече за постигането на Google в областта на квантовото надмощие.
Килограмът върви квантово
Друга точка за квантово флексиране през 2019 г. дойде от света на теглата и мерките. Стандартният килограм, физическият обект, определящ единицата за маса за всички измервания, отдавна е 130-годишен цилиндър от платина и иридий с тегло 2,2 фунта. и седя в стая във Франция. Това се промени тази година.
Старото кило беше доста добро, едва променяше масата през десетилетията. Но новият килограм е перфектен: Въз основа на фундаменталната връзка между масата и енергията, както и странността в поведението на енергия при квантови скали, физиците успяха да стигнат до определение за килограмите, които изобщо няма да се променят между тази година и края на Вселената.
Прочетете повече за перфектния килограм.
Реалността се счупи малко
Екип от физици проектира квантов експеримент, който показа, че фактите всъщност се променят в зависимост от вашата гледна точка за ситуацията. Физиците извършиха своеобразно "хвърляне на монети", използвайки фотони в малък квантов компютър, установявайки, че резултатите са различни при различните детектори, в зависимост от техните перспективи.
"Ние показваме, че в микро света на атомите и частиците, който се управлява от странните правила на квантовата механика, двама различни наблюдатели имат право на собствени факти", пишат експерименталистите в статия за Live Science. "С други думи, според нашата най-добра теория за градивните елементи на самата природа, фактите всъщност могат да бъдат субективни."
Прочетете повече за липсата на обективна реалност.
Заплитането получи своя блясък
За първи път физиците направиха снимка на феномена, който Алберт Айнщайн описва като "призрачно действие на разстояние", при което две частици остават физически свързани, въпреки че са разделени на разстояния. Тази характеристика на квантовия свят отдавна беше експериментално проверена, но това беше първият път, когато някой го видя.
Прочетете повече за незабравимия образ на заплитането.
Нещо голямо отиде в множество посоки
По някакъв начин концептуалната противоположност на заплитането, квантовата суперпозиция позволява на един обект да бъде на две (или повече) места наведнъж, следствие от материя, съществуваща както частици, така и вълни. Обикновено това се постига с миниатюрни частици като електрони.
Но в експеримент през 2019 г. физиците успяха да изтеглят суперпозицията в най-големия мащаб досега: използвайки хълцащи, 2000-атомни молекули от света на медицинската наука, известни като „олиго-тетрафенилпорфирини, обогатени с флуороалкилсулфанилови вериги“.
Прочетете за постигането на суперпозиция в макромащаб.
Топлината премина през вакума
При нормални обстоятелства топлината може да пресече вакуум само по един начин: под формата на радиация. (Ето това усещате, когато слънчевите лъчи преминават пространството, за да бият по лицето ви през летен ден.) В противен случай при стандартните физически модели топлината се движи по два начина: Първо, енергизираните частици могат да се ударят в други частици и да прехвърлят енергията си , (Обвийте ръцете си около топла чаша чай, за да усетите този ефект.) Второ, топлата течност може да измести по-студена течност. (Това се случва, когато включите нагревателя в колата си и залеете интериора с топъл въздух.) Така че без радиация топлината не може да пресече вакуум.
Но квантовата физика, както обикновено, нарушава правилата. В експеримент през 2019 г. физиците се възползваха от факта, че при квантовата скала вакуумите не са наистина празни. Вместо това те са пълни с малки, случайни колебания, които се появяват и съществуват. Според достатъчно малък мащаб, според изследователите, топлината може да пресече вакуум, прескачайки от едно колебание в следващо през очевидно празното пространство.
Прочетете повече за скачащата топлина през квантовия вакуум на космоса.
Причина и следствие може да са отишли назад
Следващото откритие е далеч от експериментално проверено откритие и дори е далеч извън сферата на традиционната квантова физика. Но изследователите, работещи с квантовата гравитация - теоретична конструкция, предназначена да обедини света на квантовата механика и общата относителност на Айнщайн - показаха, че при определени обстоятелства едно събитие може да причини ефект, настъпил по-рано във времето.
Някои много тежки предмети могат да повлияят на потока на времето в непосредствена близост поради общата относителност. Знаем, че това е вярно. А квантовата суперпозиция диктува, че обектите могат да бъдат на няколко места наведнъж. Поставете много тежък обект (като голяма планета) в състояние на квантова суперпозиция, писаха изследователите и можете да проектирате странни сценарии, при които причината и следствието се осъществяват в неправилен ред.
Прочетете повече за обратната причина и следствие.
Квантово тунелиране напукано
Физиците отдавна знаят за странен ефект, известен като "квантово тунелиране", при който частиците сякаш преминават през привидно непроходими бариери. Не защото са толкова малки, че намират дупки. През 2019 г. експеримент показа как това наистина се случва.
Квантовата физика казва, че частиците също са вълни и можете да мислите за тези вълни като вероятностни прогнози за местоположението на частицата. Но все още са вълни. Разбийте вълна срещу бариера в океана и тя ще загуби малко енергия, но от другата страна ще се появи по-малка вълна. Подобен ефект се проявява и в квантовия свят, откриха изследователите. И докато има малко вероятностна вълна, останала от другата страна на бариерата, частицата има шанс да премине през препятствието, тунелиране през пространство, където изглежда, че не трябва да се побира.
Прочетете повече за невероятния ефект на квантовото тунелиране.
Метален водород може да се е появил на Земята
Това беше голяма година за физиката на ултра високо налягане. И едно от най-смелите твърдения идваше от френска лаборатория, която обяви, че е създала свещено вещество от граал за материалознанието: метален водород. Под достатъчно високо налягане, като тези, за които се смята, че съществуват в основата на Юпитер, се счита, че еднопротонните водородни атоми действат като алкален метал. Но никой никога не е успявал да генерира натиск достатъчно високо, за да демонстрира ефекта в лаборатория преди. Тази година екипът заяви, че са го виждали на 425 гигапаскали (4,2 милиона пъти повече от земното атмосферно налягане на морско равнище). Не всеки купува това твърдение, обаче.
Прочетете повече за металния водород.
Видяхме квантовата костенурка
Закачете маса от преохладени атоми с магнитно поле и ще видите „квантови фойерверки“: струи атоми изстрелват в очевидно случайни посоки. Изследователите подозираха, че в фойерверките може да има образец, но това не беше очевидно само от гледането. С помощта на компютър обаче изследователите откриха форма за ефекта на фойерверка: квантова костенурка. Все още обаче никой не е сигурен защо приема тази форма.
Прочетете повече за квантовата костенурка.
Малък квантов компютър върна времето назад
Времето трябва да се движи само в една посока: напред. Изсипете малко мляко по земята и няма начин да изсушите идеално мръсотията и да върнете същото това чисто мляко обратно в чашата. Квантовата вълнова функция не се разпространява.
Освен в случая, това се случи. С помощта на мъничък двуквабитен квантов компютър физиците успяха да напишат алгоритъм, който може да върне всяка пулсация на вълна към частицата, която я е създала - развивайки събитието и ефективно връщайки стрелката на времето.
Прочетете повече за стрелката на времето за обръщане.
Друг квантов компютър видя 16 фючърса
Хубава характеристика на квантовите компютри, които разчитат на суперпозиции, а не на 1s и 0s, е тяхната способност да възпроизвеждат множество изчисления наведнъж. Това предимство е на пълен екран в нов двигател за квантово предсказване, разработен през 2019 г. Симулирайки серия от свързани събития, изследователите зад двигателя успяха да кодират 16 възможни фючърса в един фотон в своя двигател. Сега това е многозадачност!
Прочетете повече за 16-те възможни фючърса.
