עוד בשנות העשרים של המאה הקודמת, מכניקת הקוונטים, התיאוריה שעומדת בבסיס כל דבר, מהתנהגות אטומים ועד פעולת מחשבי קוונטים, הייתה בדרכה לקבל הסכמה רחבה. אבל תעלומה אחת נשארה: לפעמים עצמים קוונטיים, כמו אלקטרונים, אטומים ומולקולות, מתנהגים כמו חלקיקים, אחרים כמו גלים. לפעמים הם אפילו מתנהגים כמו חלקיקים וגלים בו זמנית. לכן, כאשר חקרו את העצמים הקוונטיים הללו, מעולם לא היה ברור באיזו גישה מדענים צריכים להשתמש בחישוביהם.
לפעמים מדענים היו צריכים להניח שעצמים קוונטיים הם גלים כדי לקבל את התוצאה הנכונה. במקרים אחרים, הם היו צריכים להניח שהעצמים הם בעצם חלקיקים. לפעמים כל אחת מהשיטות עבדה. אבל במקרים אחרים, רק גישה אחת הניבה את התוצאה הנכונה, בעוד שהשנייה החזירה תוצאה מזויפת. ההיסטוריה של בעיה זו נמשכת כברת דרך, אך ניסויים אחרונים שופכים אור חדש על השאלה הישנה הזו.
היסטוריה קוונטית
בניסוי הכפול בעל אותו שם, שנערך לראשונה על ידי תומס יאנג ב-1801, האור התנהג כמו גלים. בניסוי זה, קרן לייזר מכוונת אל חריץ כפול, ולאחר מכן מסתכלים על התבנית המתקבלת. אם האור היה מורכב מחלקיקים, אפשר היה לצפות לשני גושי אור בצורת חריץ. במקום זאת, התוצאה היא בלוקים קטנים רבים של אור המסודרים בתבנית אופיינית. הצבת חריץ כפול בזרם המים יביא לאותה דפוס ממש מתחת. אז הניסוי הזה הוביל למסקנה שאור הוא גל.
ואז, בשנת 1881, היינריך הרץ גילה תגלית מצחיקה. כשהוא לקח שתי אלקטרודות והפעיל מתח גבוה מספיק ביניהן, הופיעו ניצוצות. זה נורמלי. אבל כאשר הרץ האיר אור על האלקטרודות הללו, מתח הניצוץ השתנה. זה הוסבר על ידי העובדה שהאור הפיל אלקטרונים מחומר האלקטרודה. אבל, באופן מוזר, המהירות המרבית של האלקטרונים הנפלטים לא השתנתה אם עוצמת האור השתנתה, אלא השתנתה עם תדירות האור. תוצאה זו תהיה בלתי אפשרית אם תיאוריית הגלים הייתה נכונה. בשנת 1905, לאלברט איינשטיין היה פתרון: האור היה למעשה חלקיק. כל זה לא היה מספק. מדענים מעדיפים תיאוריה אחת שנכונה תמיד על פני שתי תיאוריות שלפעמים נכונות. ואם תיאוריה נכונה רק לפעמים, אז לפחות היינו רוצים להיות מסוגלים לומר באילו תנאים היא נכונה.
אבל זו בדיוק הייתה הבעיה עם הגילוי הזה. פיזיקאים לא ידעו מתי להתייחס לאור או לכל עצם אחר כגל ומתי כחלקיק. הם ידעו שחלק מהדברים גורמים להתנהגות דמוית גל, כמו קצוות של חריצים. אבל לא היה להם הסבר ברור למה זה כך או מתי להשתמש בתיאוריה כלשהי.
חידה זו נקראת דואליזם גלי גופי, עדיין נשמר. אבל מחקר חדש עשוי לשפוך קצת אור על המצב. מדענים ממכון קוריאה למדעים בסיסיים הראו שתכונות מקור האור משפיעות עד כמה הוא חלקיק ועד כמה הוא גל. עם גישה חדשה לחקר בעיה זו, הם סללו נתיב שעשוי אפילו להוביל לשיפורים במחשוב הקוונטי. או תקוות כאלה.
מעניין גם: המעבדים הקוונטיים של גוגל לוקחים גבישי זמן מעבר לתיאוריה
איך ליצור חלקיקים וגלים
בניסוי השתמשו המדענים במראה חצי רפלקטיבית כדי לפצל את קרן הלייזר לשני חלקים. כל אחת מהקרניים הללו פוגעת בגביש, אשר בתורה מייצרת שני פוטונים. בסך הכל נפלטים ארבעה פוטונים, שניים מכל גביש.
המדענים שלחו פוטון אחד מכל גביש לתוך האינטרפרומטר. מכשיר זה משלב שני מקורות אור ויוצר דפוס הפרעות. דפוס זה התגלה לראשונה על ידי תומס יאנג בניסוי שני החריצים שהוזכר לעיל. זה גם מה שרואים כשזורקים שתי אבנים לבריכה: אדוות מים, שחלקן מחזקות זו את זו ואחרות מנטרלות זו את זו. במילים אחרות, האינטרפרומטר מזהה את אופי הגל של האור.
הנתיבים של שני הפוטונים האחרים שימשו לקביעת המאפיינים הגופניים שלהם. למרות שמחברי המאמר לא ציינו כיצד הם עשו זאת, הדבר נעשה בדרך כלל על ידי העברת פוטון דרך חומר שמראה לאן הלך הפוטון. לדוגמה, אתה יכול לצלם פוטון דרך גז, שלאחר מכן יתלקח במקום שבו הפוטון עבר. על ידי התמקדות במסלול ולא ביעד הסופי, הפוטון יכול להיות גל. הסיבה לכך היא שאם אתה מודד את המיקום המדויק של הפוטון בכל רגע של זמן, אז הוא נקודתי ולא יכול לפגוע בעצמו.
זוהי דוגמה אחת מיני רבות בפיזיקה הקוונטית שבה מדידה משפיעה באופן אקטיבי על התוצאה של המדידה האמורה. לכן, בחלק זה של הניסוי, תבנית ההתאבכות בסוף מסלול הפוטונים נעדרה. כך, החוקרים גילו כיצד פוטון יכול להיות חלקיק. האתגר כעת היה לכמת כמה מזה היה חלקיק וכמה נשאר מאופי הגל.
מכיוון ששני הפוטונים של אותו גביש מיוצרים יחד, הם יוצרים מצב קוונטי אחד. זה אומר שאפשר למצוא נוסחה מתמטית שמתארת את שני הפוטונים הללו בו זמנית. כתוצאה מכך, אם החוקרים יכולים לכמת עד כמה חזקים "החלקיות" ו"אורך הגל" של שני פוטונים, ניתן ליישם את הכימות הזה על כל האלומה המגיעה אל הגביש.
ואכן, החוקרים הצליחו. הם מדדו עד כמה הפוטון גלי על ידי בדיקת הנראות של תבנית ההפרעה. כשהראות הייתה גבוהה, הפוטון היה מאוד דמוי גל. כשהתבנית בקושי נראתה, הם הגיעו למסקנה שהפוטון חייב להיות דומה מאוד לחלקיק.
והראות הזו הייתה מקרית. זה היה הגבוה ביותר כאשר שני הגבישים קיבלו את אותה עוצמה של קרן הלייזר. עם זאת, אם הקרן מגביש אחד הייתה הרבה יותר אינטנסיבית מהאחר, הנראות של התבנית הפכה חלשה מאוד, וסביר יותר שהפוטונים ייראו כמו חלקיקים.
תוצאה זו מפתיעה מכיוון שברוב הניסויים האור נמדד רק בצורה של גלים או חלקיקים. כיום, בכמה ניסויים, שני הפרמטרים נמדדו בו זמנית. המשמעות היא שקל לקבוע כמה מכל נכס יש למקור אור.
מעניין גם: QuTech משיקה דפדפן לאינטרנט הקוונטי
פיזיקאים תיאורטיים מרוצים
תוצאה זו תואמת את התחזית שנעשתה קודם לכן על ידי תיאורטיקנים. לפי התיאוריה שלהם, עד כמה עצם קוונטי דמוי גל וגופני תלוי בטוהר המקור. טוהר בהקשר זה הוא רק דרך מהודרת לבטא את ההסתברות שמקור גבישי מסוים יהיה זה שפולט את האור. הנוסחה היא כדלקמן: V2 + P2 = µ2, כאשר V הוא הנראות של תבנית הכיוון, P הוא הנראות של הנתיב, וµ הוא טוהר המקור.
המשמעות היא שעצם קוונטי כמו אור יכול להיות דמוי גל במידה מסוימת וחלקיקי במידה מסוימת, אך הדבר מוגבל על ידי טוהר המקור. עצם קוונטי הוא דמוי גל אם נראית תבנית הפרעה או אם הערך של V אינו שווה לאפס. כמו כן, הוא דמוי חלקיק אם הנתיב ניתן לצפייה או אם P אינו אפס.
תוצאה נוספת של תחזית זו היא שהטוהר הוא שאם ההסתבכות של הנתיב הקוונטי גבוה, הטוהר נמוך, ולהיפך. המדענים שערכו את הניסוי הראו זאת באופן מתמטי בעבודתם. על ידי כוונון טוהר הגבישים ומדידת התוצאות, הם הצליחו להראות כי התחזיות התיאורטיות הללו אכן נכונות.
מעניין גם: נאס"א תשיק מחשבים קוונטיים כדי לעבד ולאחסן "הרים" של נתונים
מחשבים קוונטיים מהירים יותר?
מעניין במיוחד הקשר בין הסתבכות של אובייקט קוונטי לבין הגופיות והגליות שלו. המכשירים הקוונטיים שיכולים להפעיל את האינטרנט הקוונטי מבוססים על הסתבכות. האינטרנט הקוונטי הוא אנלוגיה קוונטית למה שהאינטרנט הוא עבור מחשבים קלאסיים. על ידי חיבור מחשבים קוונטיים רבים יחדיו ואפשר להם לשתף נתונים, מדענים מקווים להשיג יותר כוח ממה שניתן להשיג עם מחשב קוונטי יחיד.
אבל במקום לשלוח ביטים על סיב אופטי, וזה מה שאנחנו עושים כדי להפעיל את האינטרנט הקלאסי, אנחנו צריכים לסבך קיוביטים כדי ליצור את האינטרנט הקוונטי. היכולת למדוד את ההסתבכות של חלקיק ואת גלי הפוטון פירושה שאנו יכולים למצוא דרכים פשוטות יותר לשלוט באיכות האינטרנט הקוונטי.
בנוסף, מחשבים קוונטיים עצמם יכולים להשתפר על ידי שימוש בדואליזם של גלי חלקיקים. על פי הצעתם של חוקרים מאוניברסיטת טסינגואה בסין, ניתן להפעיל מחשב קוונטי קטן דרך סריג רב-חריץ כדי להגביר את כוחו. מחשב קוונטי קטן יהיה מורכב מכמה אטומים המשמשים עצמם כקיוביטים, והתקנים כאלה כבר קיימים.
העברת האטומים הללו דרך סריג רב-חריצים דומה מאוד להעברת אור דרך חריץ כפול, אם כי כמובן קצת יותר מסובך. זה ייצור יותר מצבים קוונטיים אפשריים, אשר, בתורו, יגדילו את כוחו של המחשב ה"מופעל". המתמטיקה מאחורי זה מסובכת מכדי להסביר במאמר זה, אבל התוצאה החשובה היא שמחשב דו-קוונטי כזה יכול להיות טוב יותר במחשוב מקביל מאשר מחשבים קוונטיים רגילים. מחשוב מקביל נפוץ גם במחשוב קלאסי ומתייחס בעצם ליכולת של מחשב לבצע מספר חישובים בו זמנית, מה שהופך אותו למהיר יותר בסך הכל.
אז, למרות שזהו מחקר בסיסי מאוד, יישומים אפשריים כבר באופק. כרגע אי אפשר להוכיח, אבל התגליות האלה יכולות להאיץ מחשבים קוונטיים ולהאיץ מעט את הופעת האינטרנט הקוונטי.
מעניין גם: סין יצרה מחשב קוונטי חזק פי מיליון מזה של גוגל
מאוד בסיסי, אבל מאוד מעניין
יש לקחת את כל זה בספקנות רבה. המחקר מוצק, אבל הוא גם מאוד בסיסי. כפי שקורה בדרך כלל במדע וטכנולוגיה, יש דרך ארוכה ממחקר בסיסי ליישומים בעולם האמיתי.
אבל חוקרים מקוריאה גילו דבר אחד מאוד מעניין: המסתורין של דואליזם של גלי חלקיקים לא ייעלם בקרוב. להיפך, נראה שהוא נטוע כל כך עמוק בכל העצמים הקוונטיים שעדיף להשתמש בו. עם הבסיס הכמותי החדש הקשור לטוהר המקור, יהיה קל יותר לעשות זאת.
אחד ממקרי השימוש הראשונים עשוי להתרחש במחשוב קוונטי. כפי שהראו מדענים, הסתבכות קוונטית ודואליזם של גל חלקיקים קשורים זה לזה. כך, במקום הסתבכות, ניתן היה למדוד את כמות הגליות והגופניות. זה יכול לעזור למדענים שעובדים על יצירת אינטרנט קוונטי. או שאתה יכול להשתמש שְׁנִיוּת כדי לשפר מחשבים קוונטיים ולהפוך אותם למהירים יותר. כך או כך, נראה שזמנים קוונטיים מרגשים נמצאים ממש מעבר לפינה.
קרא גם:
תודה על המאמר! "תוכנות אפשריות כבר באופק" - כנראה לא תוכניות, אלא אפליקציות?
תודה, מעניין מאוד. עוד כתבות כאלה.
תודה! אנחנו ננסה ;)