квантова суперпозиція

квантова фізика

La квантова суперпозиція Це концепція, яка лунає все частіше. Ця властивість природи використовується в зачатках квантових комп’ютерів, квантової телепортації та квантового Інтернету. Однак є багато людей, які погано знають квантову суперпозицію, і для них це звучить по-китайськи.

У цій статті ми розповімо вам, що таке квантова суперпозиція, її характеристики та важливість.

Що таке квантова суперпозиція

квантова дистиляція

Квантова суперпозиція — фундаментальний принцип квантової механіки, який воно виражає одночасне існування фізичної системи, такої як електрон, у всіх її можливих теоретичних станах. При спостереженні він може «згорнутися» лише в одну з цих конфігурацій. Це «заморожування» є випадковим, але ґрунтується на законах ймовірності.

Один із способів зрозуміти квантову суперпозицію, принаймні спрощено, полягає в тому, щоб думати, що частинка може перебувати в двох збуджених станах одночасно, але після спостереження вона виявляє лише один із них. Таким чином, суперпозиція широко використовується в квантових обчисленнях. «Кубіт» або кубіт може приймати як значення 0, так і 1; на відміну від біта, біт має бути 0 або 1.

Цей стан квантової суперпозиції є результатом теоретичної пропозиції французького герцога Луї де Бройля, який у 1924 році припустив, що електрони є не частинками, а хвилями. Тобто електрони — це не «кулі» матерії з класичними взаємодіями (наприклад, зіткнення між більярдними кулями), а хвилі, які мандрують простором. Це реально.

Квантова суперпозиція електронів

квантова суперпозиція

Якщо ми уявляємо електрони як «кулі», сума одного плюс іншого дає нам хибне уявлення про те, як поводиться матерія, тому що ми уявляємо їх складеними як кулі. Деякі зверху, деякі знизу, а деякі з боків. Однак матерія не працює таким чином на квантовому рівні, лише на макроскопічному рівні. Це наше.

Явище квантової суперпозиції легше зрозуміти, оскільки погляд, що матерія поводиться як хвилі. На відміну від речовини, хвилі можуть перекриватися. На квантовому рівні матерія поводиться як хвилі, і відбувається щось цікаве: матерія може «додавати» одна одну.

Цікаву аналогію можна спостерігати в природі. На наступному зображенні показано брижі, залишені краплями води на поверхні води. Це кругова хвиля, яка поширюється вздовж поверхні. Кожен, хто хоч раз кидав камінь в озеро, знає це. В принципі, кожна хвиля незалежна.

Однак суперпозиція хвиль виникає щоразу, коли дві хвилі збігаються. Тобто додавати або віднімати їх величини. Коли два хребти стикаються, вода піднімається дуже високо. Там, де дві долини, ми бачимо западини. Якщо піки збігаються з долинами, сума хвиль призведе до скасування.

Хвилі та квантова суперпозиція

квантова суперпозиція атомів

Якщо електрони — це хвилі, що рухаються в просторі, їхні хвилі можуть робити речі, подібні до того, що з’являється у воді. Це явище набагато складніше, але ось спосіб його спростити. Але хвилює багатьох питання: де знаходяться електрони?

Відповідно до законів квантової механіки, квантова суперпозиція може відбуватися, поки частинки не спостерігаються. Тоді хвильова функція (та, що описує ймовірність того, що частинка має той чи інший стан, як ми представляємо системи частинок) руйнується або визначається як більш конкретна хвильова функція.

Хоча це не зовсім правильно, можна використати наступну аналогію. Повітряна кулька з гелієм плаває в темній кімнаті. Перший, неможливо точно знати, де знаходиться повітряна куля, оскільки існують дуже складні повітряні потоки, які переміщують повітряну кулю з одного боку в інший. Можна визначити ймовірність того, що повітряна куля знаходиться в тому чи іншому місці. Це його хвильова функція.

Звідки ти знаєш, де воно зараз? Як змусити хвильову функцію «згорнутися»? Експеримент, який можна провести, це метання дротиків. Якщо дротик потрапляє туди, де немає повітряної кулі, ми не чуємо жодного звуку. Однак якщо дротик проходить через повітряну кулю, ми чуємо вибух. Висновок: повітряна кулька визначатиме своє положення незалежно від того, потрапить у неї дротик чи ні. Тобто він «розвалиться» у фізичному сенсі і покаже, де він знаходиться.

Хоча це не ідеальна аналогія, приклад повітряної кулі допомагає зрозуміти, як електрони можуть розподілятися в певній області простору одночасно, і як, лише подивившись на неї, можна зрозуміти, що це таке.

Утиліта сьогодні

Якщо ця властивість настільки цікава, це тому, що її можна використовувати для створення квантових комп’ютерів. У 2016 році команда дослідників скористалася перевагами квантових властивостей матерії, включаючи стани суперпозиції, щоб забезпечити передачу інформації на великі відстані.

У 2017 інша команда успішно телепортувала квантовий стан між двома підключеними вузлами. У 2022 році групі дослідників вдалося телепортувати квантовий стан між двома роз’єднаними вузлами завдяки тому, що вузли Аліси, Боба та Чарлі були з’єднані один за одним. Завдяки цим експериментам можна побудувати більш надійний Інтернет

Зараз вчені досліджують способи використання цієї властивості для вирішення проблем, які було б дуже важко або навіть неможливо вирішити за допомогою класичних комп’ютерів. У квантовому комп’ютері класичні біти (0 або 1) замінені кубітами, які вони можуть перекриватися, що означає, що вони можуть представляти 0 і 1 одночасно. Це дозволяє квантовому комп’ютеру досліджувати декілька рішень одночасно, що створює величезний потенціал для вирішення складних проблем у таких сферах, як криптографія, моделювання матеріалів та оптимізація.

Іншим інтригуючим застосуванням є безпечний квантовий зв’язок. Завдяки властивості квантової суперпозиції будь-яка спроба втручання в інформацію, що передається, миттєво виявляється, що може призвести до практично непроникності систем зв’язку та забезпечити конфіденційність інформації.

Я сподіваюся, що з цією інформацією ви зможете дізнатися більше про квантову суперпозицію, її характеристики та корисність.


Залиште свій коментар

Ваша електронна адреса не буде опублікований. Обов'язкові для заповнення поля позначені *

*

*

  1. Відповідальний за дані: Мігель Анхель Гатон
  2. Призначення даних: Контроль спаму, управління коментарями.
  3. Легітимація: Ваша згода
  4. Передача даних: Дані не передаватимуться третім особам, за винятком юридичних зобов’язань.
  5. Зберігання даних: База даних, розміщена в мережі Occentus Networks (ЄС)
  6. Права: Ви можете будь-коли обмежити, відновити та видалити свою інформацію.