חמישה שימושים מעשיים למכניקת קוונטים "מפחידים"

מכניקת הקוונטים מוזרה. התיאוריה, המתארת ​​את פעולתם של חלקיקים וכוחות זעירים, גרמה לשמצה את אלברט אינשטיין לאי-נוחות עד כי בשנת 1935 הוא ועמיתיו טענו שזה חייב להיות שלם - זה היה "מפחיד" מכדי להיות אמיתי.

תוכן קשור

• המדענים תופסים את החתול של שרדינגר במצלמה
• שבע דרכים פשוטות שאנחנו יודעים שאיינשטיין צדק (לעת עתה)
• פיזיקה מוזרה יכולה להראות חתול בלתי נראה
• ללוקהיד מרטין יש מחשבים קוונטיים משוגעים ומהירים ומתכננים להשתמש בהם בפועל

הבעיה היא שנדמה כי פיזיקה קוונטית מתריסה נגד רעיונות השכל הישר של סיבתיות, יישוב וריאליזם. לדוגמה, אתה יודע שהירח קיים גם כשאתה לא מסתכל עליו - זה הריאליזם. הסיבות אומרת לנו שאם תעבור על מתג תאורה הנורה תאיר. ובזכות מגבלה קשה על מהירות האור, אם תעבור למתג כעת, האפקט הקשור לא יכול היה להתרחש במרחק של מיליון שנות אור בהתאם ליישוב. עם זאת, עקרונות אלה מתפרקים בתחום הקוונטי. אולי הדוגמה המפורסמת ביותר היא הסתבכות קוונטית, האומרת שחלקיקים משני צדי היקום ניתנים לקישור מהותי כך שהם חולקים מידע באופן מיידי - רעיון שהפך את איינשטיין ללעג.

אך בשנת 1964, הפיזיקאי ג'ון סטיוארט בל הוכיח כי פיזיקת הקוונטים הייתה למעשה תיאוריה שלמה וניתנת לעבודה. תוצאותיו, שנקראות כיום משפט בל, הוכיחו למעשה כי תכונות קוונטיות כמו הסתבכות אמיתיות כמו הירח, וכיום רותמות ההתנהגויות המוזרות של מערכות קוונטיות לשימוש במגוון יישומים בעולם האמיתי. להלן חמישה מהמסקרנים ביותר:

שעון סטרונציום, שנחשף על ידי NIST וג'ילה בינואר, ישמור על זמן מדויק במשך 5 מיליארד השנים הבאות. (קבוצת יה ובראד באקסלי, ג'ילה)

שעונים אולטרה מדויקים

קביעת זמן אמינה היא יותר מסתם אזעקת הבוקר שלך. שעונים מסנכרנים את העולם הטכנולוגי שלנו, תוך שמירה על דברים כמו שוקי מניות ומערכות GPS. שעונים סטנדרטיים משתמשים בתנודות רגילות של חפצים פיזיים כמו מטוטלות או גבישים קוורץ כדי לייצר את 'הקרציות' ו'המגפיים 'שלהם. כיום, השעונים המדויקים ביותר בעולם, שעונים אטומיים, מסוגלים להשתמש בעקרונות של תורת הקוונטים כדי למדוד זמן. הם עוקבים אחר תדר הקרינה הספציפי הדרוש בכדי לגרום לאלקטרונים לקפוץ בין רמות האנרגיה. שעון הלוגיקה הקוונטית במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה אמריקניים (NIST) בקולורדו רק מאבד או מרוויח שנייה בכל 3.7 מיליארד שנה. ושעון הסטרונטיום של NIST שנחשף מוקדם יותר השנה יהיה מדויק למשך 5 מיליארד שנים - יותר מהגיל הנוכחי של כדור הארץ. שעוני אטום סופר רגישים כאלה עוזרים בניווט GPS, טלקומוניקציה ומדידות.

הדיוק של שעונים אטומיים נשען בחלקו על מספר האטומים ששימשו. שמור בתא ואקום, כל אטום מודד באופן עצמאי את הזמן ומפקח עין על ההבדלים המקומיים האקראיים בינו לבין שכניו. אם מדענים דוחסים פי שעה יותר אטומים לשעון אטומי, הוא הופך ליותר מדויק פי עשרה - אך יש גבול לכמה אטומים תוכלו לסחוט. המטרה הגדולה הבאה של החוקרים היא להשתמש בהסתבכות בהצלחה כדי לשפר את הדיוק. אטומים מסובכים לא היו עסוקים בהבדלים מקומיים, ובמקום זאת היו מודדים אך ורק את חלוף הזמן, ובכך למעשה מפגיש אותם כמטוטלת יחידה. פירוש הדבר שהוספת מאה פעמים יותר אטומים לשעון הסתבך הייתה הופכת אותו למאה יותר מדויק. ניתן אפילו לקשר בין שעונים סבוכים ליצירת רשת עולמית שתמדוד זמן ללא תלות במיקום.

תצפיתנים יתקשו לפרוץ להתכתבויות קוונטיות. (VOLKER STEGER / ספריית תמונות למדע / Corbis)

קודים לא ניתנים לניתוק

קריפטוגרפיה מסורתית פועלת באמצעות מקשים: שולח משתמש במקש אחד כדי לקודד מידע, ונמען משתמש אחר כדי לפענח את ההודעה. עם זאת, קשה להסיר את הסיכון לצותת, וניתן לפגוע במפתחות. ניתן לתקן זאת באמצעות חלוקת מפתח קוונטי שעלולה להתפרק (QKD). ב- QKD מידע על המפתח נשלח באמצעות פוטונים שקוטרו באופן אקראי. זה מגביל את הפוטון כך שהוא ירטט במישור אחד בלבד - למשל, למעלה ולמטה, או משמאל לימין. הנמען יכול להשתמש בפילטרים מקוטבים כדי לפענח את המפתח ואז להשתמש באלגוריתם שנבחר כדי להצפין הודעה בצורה מאובטחת. הנתונים הסודיים עדיין נשלחים דרך ערוצי תקשורת רגילים, אך איש אינו יכול לפענח את ההודעה אלא אם כן יש להם את המפתח הקוונטי המדויק. זה מסובך, מכיוון שחוקי הקוונטים מכתיבים ש"קריאה "של הפוטונים הקוטבים תמיד תשנה את מצבם, וכל ניסיון לצותת יתריע לתקשורת על הפרה ביטחונית.

כיום חברות כמו BBN Technologies, Toshiba ו- ID Quantique משתמשים ב- QKD כדי לתכנן רשתות מאובטחות במיוחד. בשנת 2007 שוויץ ניסתה מוצר ID Quantique בכדי לספק מערכת הצבעה מוגנת נגד הבחירות במהלך בחירות. וההעברה הבנקאית הראשונה באמצעות QKD הסתבכה התקדמה באוסטריה בשנת 2004. מערכת זו מבטיחה להיות מאובטחת ביותר, מכיוון שאם הפוטונים מסתבכים, כל שינויים במצבים הקוונטים שלהם שנעשו על ידי interlopers יורגשו מייד לכל מי שעוקב אחר נושא המפתח חלקיקים. אבל מערכת זו עדיין לא עובדת על מרחקים גדולים. עד כה, פוטונים מסתבכים הועברו לאורך המרחב המרבי של כ 88 מיילים.

צילום מקרוב של שבב מחשב D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.)

מחשבים סופר עוצמתיים

מחשב רגיל מקודד מידע כמחרוזת של ספרות בינאריות, או ביטים. כוח העיבוד של מחשבי הקוונטים מעניק טעינה גבוהה מכיוון שהם משתמשים בסיביות קוונטיות, או קווביטים, שקיימים בסופרפוזיציה של מצבים - עד שהם נמדדים, קווביט יכול להיות גם "1" וגם "0" בו זמנית.

תחום זה עדיין בפיתוח, אך היו צעדים בכיוון הנכון. בשנת 2011, D-Wave Systems חשפה את ה- D-Wave One, מעבד של 128 קילובייט, ואחריו שנה אחר כך D-Wave Two 512 -bit. החברה טוענת כי מדובר במחשבים קוונטיים ראשונים בעולם. עם זאת, טענה זו נענתה בספקנות, בין השאר מכיוון שעדיין לא ברור אם הקוויביטים של D-Wave מסתבכים. במחקרים שפורסמו במאי נמצאו עדויות להסתבכות אך רק בתת-קבוצה קטנה של ה- qubits של המחשב. קיימת גם אי וודאות בשבבים אם הצ'יפים מציגים כמה מהירויות קוונטיות מהימנות. ועדיין, נאס"א וגוגל התחברו להקים את מעבדת הבינה המלאכותית הקוונטית על בסיס D-Wave Two. ומדענים מאוניברסיטת בריסטול חברו בשנה שעברה את אחד משבבי הקוונטים המסורתיים לאינטרנט כך שכל אחד עם דפדפן האינטרנט יוכל ללמוד קידוד קוונטי.

עוקב בחדות אחר ההסתבכות. (Ono et al., Arxiv.org)

מיקרוסקופים משופרים

בפברואר פיתח צוות חוקרים מאוניברסיטת הוקקאידו היפנית את המיקרוסקופ המשופר הראשון בעולם המשופר בהסתבכות, תוך שימוש בטכניקה המכונה מיקרוסקופת ניגודיזם של הפרעות הפרעות. סוג זה של מיקרוסקופ יורה שתי אלומות של פוטונים על חומר ומודד את דפוס ההפרעות שנוצר על ידי הקורות המשתקפות - התבנית משתנה בהתאם אם הם פוגעים במשטח שטוח או לא אחיד. שימוש בפוטונים מסתבכים מגדיל מאוד את כמות המידע שהמיקרוסקופ יכול לאסוף, שכן מדידת פוטון אחד מסתבך נותנת מידע על בן זוגו.

צוות הוקאידו הצליח לדמיין "Q" חרוט שעמד 17 ננומטר מעל הרקע בחדות שלא נראתה כמותה. ניתן להשתמש בטכניקות דומות כדי לשפר את הרזולוציה של כלי אסטרונומיה הנקראים אינטרפרומטרים, המציגים גלים אור שונים בכדי לנתח טוב יותר את תכונותיהם. אינטרפרומטרים משמשים במצוד אחר כוכבי לכת מחוץ לתחום, כדי לחקור כוכבים סמוכים ולחיפוש אחר אדוות בחלל המכונה גלי כבידה.

הרובין האירופי עשוי להיות טבעי קוונטי. (אנדרו פרקינסון / קורביס)

מצפנים ביולוגיים

בני האדם אינם היחידים המשתמשים במכניקת הקוונטים. תיאוריה מובילה אחת מציעה כי ציפורים כמו הרובין האירופי משתמשות בפעולה המפחידה כדי להמשיך במסלול כאשר הם נודדים. השיטה כוללת חלבון רגיש לאור הנקרא קריפטוכרום, שעלול להכיל אלקטרונים מסתבכים. כשפוטונים נכנסים לעין הם פוגעים במולקולות הקריפטוכרום ויכולים לספק מספיק אנרגיה כדי לפרק אותם, ויוצרים שתי מולקולות תגוביות, או רדיקלים, עם אלקטרונים לא צמודים אך עדיין מסתבכים. השדה המגנטי המקיף את הציפור משפיע על כמה זמן נמשכים הרדיקלים הקריפטוכרים האלה. התאים ברשתית הציפור נחשבים כרגישים מאוד לנוכחות הרדיקלים הסבוכים, ומאפשרים לבעלי החיים 'לראות' ביעילות מפה מגנטית המבוססת על המולקולות.

עם זאת, תהליך זה אינו מובן עד תום, ויש אפשרות נוספת: הרגישות המגנטית של הציפורים יכולה לנבוע מגבישים קטנים של מינרלים מגנטיים שבמקורם. ובכל זאת, אם באמת מסתובב ההסתבכות, ניסויים מראים כי המצב העדין חייב להימשך הרבה יותר זמן בעין מאשר אפילו במערכות המלאכותיות הטובות ביותר. המצפן המגנטי יכול להיות מיושם גם על לטאות מסוימות, סרטנים, חרקים ואפילו על כמה יונקים. לדוגמה, סוג של קריפטוכרום המשמש לניווט מגנטי בזבובים נמצא גם בעין האנושית, אם כי לא ברור אם זה או פעם היה שימושי למטרה דומה.