Найменші за масштабом події мають гігантські наслідки. І жодна галузь науки не демонструє, що краще, ніж квантова фізика, яка досліджує дивні поведінки - здебільшого - дуже дрібних речей. У 2019 році квантові експерименти вийшли на нові і навіть чужіші місця, а практичні квантові обчислення все більше наближалися до реальності, незважаючи на деякі суперечки. Це були найважливіші та дивовижні квантові події 2019 року.
Google заявляє про "квантову перевагу"
Якщо один з квантових новин з 2019 року стане підручниками історії, ймовірно, це буде велике оголошення, яке надійшло від Google: Технологічна компанія оголосила, що досягла "квантового верховенства". Це химерний спосіб сказати, що Google створив комп'ютер, який міг виконувати певні завдання швидше, ніж будь-який класичний комп'ютер. (До категорії класичних комп’ютерів входить будь-яка машина, яка спирається на звичайні старі 1 та 0, наприклад пристрій, який ви використовуєте для читання цієї статті.)
Заява про квантову перевагу від Google, якщо вона буде підтверджена, означатиме перегин в історії обчислень. Для виконання своїх обчислень квантові комп'ютери покладаються на дивні дрібномасштабні фізичні ефекти, такі як заплутування, а також певні основні невизначеності у нано-Всесвіті. Теоретично ця якість дає цим машинам певні переваги перед класичними комп’ютерами. Вони можуть легко порушувати класичні схеми шифрування, надсилати ідеально зашифровані повідомлення, запускати деякі симуляції швидше, ніж класичні комп’ютери і взагалі дуже легко вирішувати важкі проблеми. Складність полягає в тому, що ніхто не робив квантовий комп’ютер досить швидко, щоб скористатися тими теоретичними перевагами - або, принаймні, ні в кого не було, до того, як Google цього року зробив.
Хоча не всі купують претензії на перевагу технологічної компанії. Субхаш Как, квантовий скептик і дослідник Державного університету Оклахоми, виклав кілька причин у цій статті для Live Science.
Детальніше про досягнення квантової переваги Google.
Кілограм йде квантово
Ще одна точка квантового перегину в 2019 році надійшла зі світу ваг та мір. Стандартним кілограмом, фізичним об'єктом, який визначав одиницю маси для всіх вимірювань, давно був циліндр з платино-іридієвої вагою 130 років вагою 2,2 фунта. і сидить у кімнаті у Франції. Це змінилося цього року.
Старий кіло був досить гарний, ледь змінюючи масу протягом десятиліть. Але новий кілограм ідеальний: виходячи з принципового співвідношення маси та енергії, а також химерності в поведінці енергії на квантових масштабах, фізики змогли прийти до визначення кілограма, який взагалі не зміниться між цього року і кінець Всесвіту.
Детальніше про ідеальний кілограм.
Реальність трохи зламалася
Команда фізиків розробила квантовий експеримент, який показав, що факти насправді змінюються залежно від вашого погляду на ситуацію. Фізики виконували своєрідне "кидання монети", використовуючи фотони в крихітному квантовому комп'ютері, виявивши, що результати були різними у різних детекторів, залежно від їх точки зору.
"Ми показуємо, що в мікросвіті атомів і частинок, яким керуються дивні правила квантової механіки, два різні спостерігачі мають право на власні факти", - написали експерименталісти у статті для Live Science. "Іншими словами, згідно з нашою найкращою теорією самих будівельних блоків, факти фактично можуть бути суб'єктивними".
Детальніше про відсутність об'єктивної реальності.
Заплутаність отримала свій гламур
Вперше фізики зробили фотографію явища Альберта Ейнштейна, описаного як "моторошну дію на відстані", в якій дві частинки залишаються фізично пов'язаними, незважаючи на те, що розділені на відстані. Ця особливість квантового світу давно була експериментально перевірена, але це був перший раз, коли хтось побачив її.
Детальніше про незабутнє зображення заплутаності.
Щось велике пішло в декількох напрямках
Деяким поняттям, протилежним заплутуванню, квантовий суперпозиція дає можливість одному предмету опинитися відразу в двох (або більше) місцях, наслідком речовини, що існує як частинки, так і хвилі. Як правило, це досягається крихітними частинками, як електрони.
Але в експерименті в 2019 році фізикам вдалося зняти суперпозицію в найбільш масштабних коли-небудь масштабах: використовуючи колючі молекули 2000 атомів зі світової медицини, відомі як "оліго-тетрафенілпорфірини, збагачені фтороалкілсульфаніловими ланцюгами".
Прочитайте про досягнення макромасштабу суперпозиції.
Тепло перетнуло вакуум
За звичайних обставин тепло може перетнути вакуум лише одним способом: у вигляді випромінювання. (Це те, що ти відчуваєш, коли сонячні промені перетинають простір, щоб бити на обличчі в літній день.) В іншому випадку в стандартних фізичних моделях тепло рухається двома способами: По-перше, енергетичні частинки можуть збиватися в інші частинки і передавати свою енергію . (Оберніть руки навколо теплої чашки чаю, щоб відчути цей ефект.) По-друге, тепла рідина може витіснити більш холодну рідину. (Ось що відбувається, коли ви увімкнете обігрівач у вашій машині, заливаючи салон теплим повітрям.) Тому без випромінювання тепло не може перетнути вакуум.
Але квантова фізика, як завжди, порушує правила. В експерименті 2019 року фізики скористалися тим, що в квантовій шкалі вакууми не справді порожні. Натомість вони сповнені крихітних, випадкових коливань, що виникають і існують. Як виявили дослідники в невеликій масштабі, тепло може перетнути вакуум, перестрибуючи з одного коливання в інше через очевидно порожній простір.
Детальніше про тепло, що проскакує через квантовий вакуум космосу.
Причина і наслідок, можливо, пішли назад
Наступна знахідка далека від експериментально підтвердженого відкриття, і навіть далеко поза сферою традиційної квантової фізики. Але дослідники, що працюють з квантовою гравітацією - теоретична конструкція, покликана об'єднати світи квантової механіки та загальної відносності Ейнштейна - показали, що за певних обставин подія може спричинити ефект, що стався раніше у часі.
Деякі дуже важкі предмети можуть впливати на перебіг часу в їх безпосередній близькості завдяки загальній відносності. Ми знаємо, що це правда. А квантова суперпозиція диктує, що об’єкти можуть бути в декількох місцях одночасно. Поставте дуже важкий предмет (на зразок великої планети) у стан квантового суперпозиції, писали дослідники, і ви можете спроектувати незвичайні сценарії, коли причина та наслідки відбуваються в неправильному порядку.
Детальніше про відновлення причин та наслідків.
Квантове тунелювання тріснуло
Фізикам давно відомо про дивний ефект, відомий як "квантове тунелювання", в якому частинки, здається, проходять через, здавалося б, непрохідні бар'єри. Це не тому, що вони такі маленькі, що вони знаходять дірки. У 2019 році експеримент показав, як це насправді відбувається.
Квантова фізика говорить, що частинки також є хвилями, і ви можете розглядати ці хвилі як прогнози ймовірності розташування частинки. Але вони все ще хвилі. Розбийте хвилю проти бар'єру в океані, і вона втратить деяку енергію, але менша хвиля з’явиться з іншого боку. Аналогічний ефект виникає і в квантовому світі, виявили дослідники. І поки на далекій стороні бар'єру залишилася трохи хвилі ймовірності, у частинки є шанс пройти через перешкоду, тунелювати через простір, де, здається, вона не повинна вміститися.
Детальніше про дивовижний ефект квантового тунелювання.
Металевий водень, можливо, з’явився на Землі
Це був великий рік для фізики надвисокого тиску. І одне з найсміливіших тверджень надійшло з французької лабораторії, яка оголосила, що створила священну граальну речовину для матеріалознавства: металевий водень. При досить високих тисках, таких, як, як вважається, є в основі Юпітера, однопротонні атоми водню, як вважається, виконують роль лужного металу. Але ніхто ніколи не встигав створити тиск досить високо, щоб продемонструвати ефект в лабораторії раніше. Цього року команда заявила, що бачила її на 425 гігапаскалях (в 4,2 мільйона разів більше атмосферного тиску Землі на рівні моря). Однак не всі купують такі претензії.
Детальніше про металевий водень.
Ми бачили квантову черепаху
Запустіть масу переохолоджених атомів з магнітним полем, і ви побачите «квантовий феєрверк»: струмені атомів, що стріляють у, мабуть, випадкових напрямках. Дослідники підозрювали, що у феєрверку може бути візерунок, але це було очевидно не лише з вигляду. Однак за допомогою комп’ютера дослідники виявили форму ефекту феєрверку: квантову черепаху. Однак ніхто ще не впевнений, чому він приймає таку форму.
Детальніше про квантову черепаху.
Крихітний квантовий комп'ютер повернув час
Час повинен рухатися лише в одному напрямку: вперед. Пролийте трохи молока на землю, і немає ніякого способу ідеально висушити бруд і повернути те саме чисте молоко назад у чашку. Квантова хвильова функція, що поширюється, не розповсюджується.
За винятком цього випадку, це було. Використовуючи крихітний двоквартитний квантовий комп'ютер, фізики змогли написати алгоритм, який міг би повернути кожну пульсацію хвилі до частинки, яка її створила - розмотуючи подію і ефективно повертаючи стрілку часу.
Детальніше про стрілку часу повернення.
Ще один квантовий комп'ютер побачив 16 ф'ючерсів
Приємною особливістю квантових комп'ютерів, які покладаються на суперпозиції, а не на 1 і 0, є їх здатність відтворювати відразу кілька обчислень. Ця перевага виявляється в повному обсязі в новому двигуні квантового прогнозування, розробленому в 2019 році. Імітуючи серію пов'язаних подій, дослідники, що стояли за двигуном, змогли кодувати 16 можливих ф'ючерсів в один фотон свого двигуна. Тепер це багатозадачність!
Детальніше про 16 можливих ф’ючерсів.
