Если квантовая теория верна, то от таковых квантовых частиц как атомы, можно ждать весьма необычного поведения. Но невзирая на хаос, коим может показаться квантовая физика, в этом необычном мире крохотных частиц действуют свои собственные законы. Не так давно команде ученых из Института Бонна удалось обосновать, что в квантовом мире – на уровне сложных квантовых операций – действует ограничение скорости. Атомы, будучи малеханькими неразделимыми частичками, в неком смысле напоминают пузырьки шампанского в бокале. Обрисовать их можно как волны материи, но их поведение больше припоминает бильярдный шар а не жидкость. Любой, кому в голову придет мысль весьма стремительно переместить атом из 1-го места в другое, должен действовать со познанием дела и сноровкой как у опытнейшего официанта на банкете – не пролив ни капли шампанского из 10-ка бокалов на подносе, лавируя меж столиками. Но даже в таком случае экспериментатор столкнется с определенным ограничением скорости – лимитом, превысить который нереально. Приобретенные в процессе исследования результаты важны для работы квантовых компов, а эта область, как наверное понимает почетаемый читатель, в крайние годы интенсивно развивается.
Квантовая физика интригует, потому что содержит в собственной базе некую тайну.
Ограничение скорости на примере атома цезия
В исследовании, размещенном в журнальчике Physical Review X, физикам удалось экспериментально обосновать существование лимита скорости во время сложных квантовых операций. В процессе работы ученые из Института Бонна, также физики из Массачусетского технологического института (MIT), Исследовательского центра Юлиха, институтов Гамбурга, Кельна и Падуи экспериментальным методом узнали где конкретно проходит ограничение.
Для этого создатели научной работы взяли атом цезия и направили два совершенно наложенных друг на друга лазерных луча друг против друга. Цель исследования заключалась в очень резвой доставке атома цезия в необходимое пространство таковым образом, чтоб атом не «выпал» из обозначенной «равнины», как капля шампанского из бокала. Такую суперпозицию физики именуют инферференцией, она делает стоячую световую волну, которая припоминает вначале неподвижную последовательность «гор» и «долин». В процессе опыта физики загрузили атом цезия в одну из таковых «долин», а потом привели в движение стоячую световую волну, которая сместила положение «равнины».
Стоячая электромагнитная волна — периодическое изменение амплитуды напряженности электронного и магнитного полей вдоль направления распространения, вызванное интерференцией падающей и отраженной волн.
Создатель исследования Маноло Ривера Лам (слева) и ведущий создатель научной работы доктор Андреа Альберти (справа) из Института прикладной физики Института Бонна. института.
Сам факт того, что в микромире существует ограничение скорости, был на теоретическом уровне продемонстрирован наиболее 60 годов назад 2-мя русскими физиками Леонидом Мандельштамом и Игорем Таммом. Они проявили, что наибольшая скорость в квантовых операциях зависит от энергетической неопределенности, другими словами от того, как «свободна» манипулируемая частичка по отношению к своим вероятным энергетическим состояниям: чем больше у нее энергетической свободы, тем она резвее. К примеру, в случае транспортировки атома цезия, чем поглубже «равнина», в которую попадает атом, тем наиболее распределены энергии квантовых состояний в «равнине», и в итоге тем резвее атом можно переместить.
Нечто схожее можно узреть пристально следя за официантом в ресторане: если он заполняет бокалы наполовину (по просьбе гостя), то шансы пролить шампанское уменьшаются, невзирая на скорость, с которой официант разливает напиток. Тем не наименее энергетическую свободу раздельно взятой частички недозволено просто так взять и прирастить. «Мы не можем создать нашу «равнину» нескончаемо глубочайшей, поэтому что это просит очень много энергии», – пишут создатели исследования.
Чтоб постоянно быть в курсе крайних научных открытий в области физики и больших технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram!
Новейшие результаты для науки
Ограничение скорости, предложенное Мандельштамом и Таммом базовое. Но добиться его можно при определенных обстоятельствах, а конкретно в системах лишь с 2-мя вероятными квантовыми состояниями. В случае проведенного исследования, к примеру, это происходило когда пункт отправления и пункт предназначения находились очень близко друг к другу. «Тогда волны материи атома в обоих местах накладываются друг на друга, и атом быть может доставлен прямо к месту предназначения за один раз, другими словами без каких-то промежных остановок. Это похоже на телепортацию в телесериале «Звездный Путь», – поведали создатели исследования изданию Phys.org.
И все таки, ситуация изменяется, когда расстояние меж пт отправления и пт предназначения возрастает до нескольких 10-ов значений волны материи, как в опыте исследователей из Института Бонна. На такие расстояния ровная телепортация невозможна. Заместо телепортации, чтоб добиться пт предназначения, частичка обязана пройти ряд промежных расстояний: и конкретно тут ситуация из двухуровневой перебегает в многоуровневою.
Читайте также: Может ли квантовая механика разъяснить существование пространства-времени?
В мире атомов действуют свои собственные законы, нередко непонятные и неприметные для постороннего наблюдающего.
Результаты исследования проявили, что к таковым действиям применяется наиболее маленький предел скорости, чем обозначили русские ученые: он определяется не только лишь неопределенностью энергии, да и числом промежных состояний. Все вышеперечисленное значит, что новое исследование улучшает теоретическое осознание сложных квантовых действий и ограничений.
Атомы и квантовые компы
Как отмечают физики, приобретенные результаты применимы в области квантовых компов. Все поэтому, что проведенный опыт посвящен переносу атома, а подобные процессы происходят и в квантовом компе. Когда квантовые биты реализуются атомами, они должны перенестись из одной области микропроцессора в другую. Это конкретно тот процесс, который необходимо созодать весьма стремительно, по другому вся его связность пропадет. Благодаря квантовому лимиту скорости сейчас можно буквально предсказать, какая скорость на теоретическом уровне вероятна.
Так так смотрится 50-кубитный квантовый комп IBM.
Для квантовых компов, но, приобретенные результаты не означают предел вычислительной скорости. Тот факт, что квантовый комп может вычислять так стремительно, сначала связан не с продолжительностью как такой, а быстрее с количеством операций. Квантовому компу для выполнения определенной задачки требуется еще меньше операций, чем обыкновенному компом. Вычисление при помощи квантового компа похоже на поиск выхода из лабиринта без необходимости поочередно инспектировать все вероятные пути. Конкретно в этом и заключается убыстрение: необходимо лишь один раз выслать квантовый комп через лабиринт, в то время как с традиционным компом необходимо опробовать весьма огромное количество вариантов один за остальным.
Для вас будет любопытно: В Китае сотворен квантовый комп, который решил самую сложную задачку за 200 секунд
По воззрению ведущего создателя исследования Андреа Альберти, в этом смысле нет никаких последствий для вычислительной мощности квантового компа. Но квантовый предел скорости увлекателен и по иной причине – обнаруженный предел указывает, что может быть выполнение существенно большего числа операций, чем числилось ранее.
Источник: