Najmniejsze wydarzenia mają gigantyczne konsekwencje. Żadna dziedzina nauki nie pokazuje tego lepiej niż fizyka kwantowa, która bada dziwne zachowania - głównie - bardzo małych rzeczy. W 2019 r. Eksperymenty kwantowe trafiły w nowe, jeszcze dziwniejsze miejsca, a praktyczne obliczenia kwantowe zbliżały się coraz bardziej do rzeczywistości, pomimo pewnych kontrowersji. Były to najważniejsze i zaskakujące wydarzenia kwantowe 2019 r.
Google twierdzi, że „supremacja kwantowa”
Jeśli jeden kwantowy news z 2019 r. Stworzy książki historyczne, prawdopodobnie będzie to duże ogłoszenie od Google: firma technologiczna ogłosiła, że osiągnęła „supremację kwantową”. To fantazyjny sposób powiedzenia, że Google zbudował komputer, który może wykonywać niektóre zadania szybciej niż jakikolwiek klasyczny komputer. (Kategoria klasycznych komputerów obejmuje każdą maszynę, która opiera się na zwykłych starych zerach i zerach, takich jak urządzenie, którego używasz do czytania tego artykułu).
Twierdzenie o kwantowej supremacji Google, jeśli zostanie potwierdzone, oznaczałoby punkt zwrotny w historii komputerów. Komputery kwantowe wykonują swoje obliczenia przy pomocy dziwnych efektów fizycznych na małą skalę, takich jak splątanie, a także pewnych podstawowych niepewności w nano-wszechświecie. Teoretycznie ta jakość daje tym urządzeniom pewne zalety w stosunku do klasycznych komputerów. Mogą łatwo złamać klasyczne schematy szyfrowania, wysyłać idealnie zaszyfrowane wiadomości, uruchamiać niektóre symulacje szybciej niż klasyczne komputery i ogólnie bardzo łatwo rozwiązywać trudne problemy. Trudność polega na tym, że nikt nie stworzył komputera kwantowego na tyle szybko, aby skorzystać z teoretycznych zalet - a przynajmniej nikt nie miał - aż do wyczynu Google w tym roku.
Jednak nie wszyscy kupują roszczenia o dominację firmy technologicznej. Subhash Kak, kwantowy sceptyk i badacz z Oklahoma State University, przedstawił kilka przyczyn tego artykułu w Live Science.
Przeczytaj więcej o osiągnięciu przez Google supremacji kwantowej.
Kilogram to kwant
Kolejny kwantowy punkt przegięcia w 2019 r. Pochodzi ze świata odważników i miar. Standardowy kilogram, obiekt fizyczny, który określał jednostkę masy dla wszystkich pomiarów, od dawna był 130-letnim cylindrem platynowo-irydowym o wadze 2,2 funta. i siedzenie w pokoju we Francji. To zmieniło się w tym roku.
Stary kilogram był całkiem niezły, ledwo zmieniając masę przez dziesięciolecia. Ale nowy kilogram jest idealny: w oparciu o podstawowy związek między masą a energią, a także dziwactwem w zachowaniu energii w skali kwantowej, fizycy byli w stanie dojść do definicji kilograma, który w ogóle się nie zmieni w tym roku i na końcu wszechświata.
Przeczytaj więcej o idealnym kilogramie.
Rzeczywistość trochę się popsuła
Zespół fizyków zaprojektował eksperyment kwantowy, który pokazał, że fakty zmieniają się w zależności od twojego spojrzenia na sytuację. Fizycy wykonali swego rodzaju „rzut monetą” za pomocą fotonów w małym komputerze kwantowym, stwierdzając, że wyniki były różne dla różnych detektorów, w zależności od ich perspektyw.
„Pokazujemy, że w mikroświecie atomów i cząstek rządzonych dziwnymi regułami mechaniki kwantowej dwóm różnym obserwatorom przysługują własne fakty” - napisali eksperymentaliści w artykule dla Live Science. „Innymi słowy, zgodnie z naszą najlepszą teorią samych elementów budulcowych natury, fakty mogą faktycznie być subiektywne”.
Przeczytaj więcej o braku obiektywnej rzeczywistości.
Splątanie dostało swój urok
Po raz pierwszy fizycy zrobili zdjęcie zjawiska, które Albert Einstein opisał jako „upiorne działanie na odległość”, w którym dwie cząstki pozostają fizycznie połączone, mimo że są rozdzielone na duże odległości. Ta cecha świata kwantowego była od dawna weryfikowana eksperymentalnie, ale po raz pierwszy ktoś ją widział.
Przeczytaj więcej o niezapomnianym obrazie splątania.
Coś wielkiego poszło w wielu kierunkach
W pewnym sensie koncepcyjne przeciwieństwo splątania, superpozycji kwantowej, pozwala jednemu obiektowi być w dwóch (lub więcej) miejscach jednocześnie, co jest konsekwencją istnienia materii zarówno jako cząstek, jak i fal. Zazwyczaj osiąga się to za pomocą drobnych cząstek, takich jak elektrony.
Ale w eksperymencie z 2019 r. Fizykom udało się wyłapać superpozycję na jak największą skalę: stosując olbrzymie, 2000-cząsteczkowe cząsteczki ze świata nauk medycznych znane jako „oligo-tetrafenyloporfiryny wzbogacone o łańcuchy fluoroalkilosulfanylowe”.
Przeczytaj o osiągnięciu superpozycji w skali makro.
Ciepło przekroczyło próżnię
W normalnych warunkach ciepło może przekroczyć próżnię tylko w jeden sposób: w postaci promieniowania. (To właśnie czujesz, gdy promienie słoneczne przecinają przestrzeń, aby uderzyć ci w twarz w letni dzień.) W przeciwnym razie, w standardowych modelach fizycznych, ciepło porusza się na dwa sposoby: Po pierwsze, energetyzowane cząsteczki mogą uderzać w inne cząsteczki i przenosić ich energię . (Owinąć ręce ciepłą filiżanką herbaty, aby poczuć ten efekt.) Po drugie, ciepły płyn może wyprzeć zimniejszy płyn. (Tak się dzieje po włączeniu ogrzewania w samochodzie i zalaniu wnętrza ciepłym powietrzem.) Tak więc bez promieniowania ciepło nie może przekroczyć próżni.
Ale fizyka kwantowa, jak zwykle, łamie zasady. W eksperymencie z 2019 r. Fizycy wykorzystali fakt, że w skali kwantowej próżnie nie są naprawdę puste. Zamiast tego są pełne drobnych, przypadkowych fluktuacji, które pojawiają się i znikają. Naukowcy odkryli, że w wystarczająco małej skali ciepło może przekroczyć próżnię, skacząc z jednej fluktuacji do drugiej przez pozornie pustą przestrzeń.
Przeczytaj więcej na temat przeskakiwania ciepła przez próżnię kwantową przestrzeni.
Przyczyna i skutek mogły się cofnąć
To kolejne odkrycie dalekie jest od odkrycia zweryfikowanego eksperymentalnie, a nawet daleko poza sferą tradycyjnej fizyki kwantowej. Ale badacze pracujący z grawitacją kwantową - teoretyczną konstrukcją zaprojektowaną w celu zjednoczenia światów mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności Einsteina - wykazali, że w pewnych okolicznościach zdarzenie może spowodować efekt, który wystąpił wcześniej.
Niektóre bardzo ciężkie przedmioty mogą wpływać na upływ czasu w ich bezpośrednim sąsiedztwie z powodu ogólnej teorii względności. Wiemy, że to prawda. A superpozycja kwantowa dyktuje, że obiekty mogą znajdować się w wielu miejscach jednocześnie. Naukowcy napisali, że umieszczenie bardzo ciężkiego obiektu (jak dużej planety) w stanie superpozycji kwantowej, a można zaprojektować scenariusze z dziwnymi kulkami, w których przyczyna i skutek zachodzą w niewłaściwej kolejności.
Przeczytaj więcej o odwracaniu przyczyn i skutków.
Pęknięcie tunelu kwantowego
Fizycy od dawna wiedzą o dziwnym efekcie znanym jako „tunelowanie kwantowe”, w którym cząsteczki wydają się przechodzić przez pozornie nieprzekraczalne bariery. Nie dlatego, że są tak małe, że znajdują dziury. W 2019 r. Eksperyment pokazał, jak to się naprawdę dzieje.
Fizyka kwantowa mówi, że cząstki są również falami, i możesz myśleć o tych falach jako o rzutach prawdopodobieństwa dla lokalizacji cząstki. Ale wciąż są falami. Zniszcz falę o barierę w oceanie, a ona straci trochę energii, ale po drugiej stronie pojawi się mniejsza fala. Naukowcy odkryli, że podobny efekt występuje w świecie kwantowym. I dopóki pozostanie odrobina fali prawdopodobieństwa po drugiej stronie bariery, cząstka ma szansę przebić się przez przeszkodę, tunelując przez przestrzeń, w której wydaje się, że nie powinna się zmieścić.
Przeczytaj więcej o niesamowitym tunelowaniu kwantowym.
Wodór metaliczny mógł pojawić się na Ziemi
To był wielki rok dla fizyki ultra wysokiego ciśnienia. Jedno z najodważniejszych twierdzeń pochodzi z francuskiego laboratorium, które ogłosiło, że stworzyło świętą substancję Graala dla materiałoznawstwa: wodór metaliczny. Pod dostatecznie wysokimi ciśnieniami, takimi jak te, które istnieją w rdzeniu Jowisza, uważa się, że atomy wodoru o pojedynczym protonie działają jak metal alkaliczny. Ale nikt nigdy wcześniej nie był w stanie wytworzyć presji wystarczająco wysokiej, aby wykazać efekt w laboratorium wcześniej. W tym roku zespół powiedział, że widzieli go przy 425 gigapaskalach (4,2 miliona razy ciśnienie atmosferyczne Ziemi na poziomie morza). Jednak nie wszyscy kupują to twierdzenie.
Przeczytaj więcej o wodorze metalicznym.
Widzieliśmy żółwia kwantowego
Rozbij masę przechłodzonych atomów za pomocą pola magnetycznego, a zobaczysz „fajerwerki kwantowe”: strumienie atomów odpalające w pozornie losowych kierunkach. Badacze podejrzewali, że w fajerwerkach może być jakiś wzór, ale nie było to oczywiste po prostu patrząc. Jednak za pomocą komputera naukowcy odkryli kształt efektu fajerwerków: żółwia kwantowego. Nikt jednak nie jest pewien, dlaczego ma taki kształt.
Przeczytaj więcej o żółwie kwantowym.
Mały komputer kwantowy cofnął czas
Czas powinien płynąć tylko w jednym kierunku: do przodu. Wylej trochę mleka na ziemię i nie ma sposobu, aby idealnie wysuszyć brud i zwrócić to samo czyste mleko z powrotem do kubka. Rozprzestrzeniająca się funkcja fali kwantowej nie jest rozproszona.
Z wyjątkiem tego przypadku tak się stało. Za pomocą małego komputera kwantowego o dwóch kubitach fizycy byli w stanie napisać algorytm, który mógłby zwrócić każdą falę fali cząsteczce, która ją stworzyła - odwijając zdarzenie i skutecznie cofając strzałę czasu.
Przeczytaj więcej o strzałce czasu cofania.
Inny komputer kwantowy widział 16 kontraktów terminowych
Przyjemną cechą komputerów kwantowych, które opierają się na superpozycjach zamiast 1 i 0, jest ich zdolność do wykonywania wielu obliczeń jednocześnie. Ta zaleta jest w pełni widoczna w nowym silniku predykcyjnym kwantowym opracowanym w 2019 r. Symulując serię powiązanych zdarzeń, badacze stojący za silnikiem byli w stanie zakodować 16 możliwych przyszłości w jednym fotonie w silniku. To wielozadaniowość!
Przeczytaj więcej o 16 możliwych futures.