Negli anni '1920, la meccanica quantistica, la teoria che sta alla base di tutto, dal comportamento degli atomi al funzionamento dei computer quantistici, stava ottenendo un'ampia accettazione. Ma un mistero è rimasto: a volte gli oggetti quantistici, come elettroni, atomi e molecole, si comportano come particelle, altri come onde. A volte si comportano anche come particelle e onde allo stesso tempo. Pertanto, durante lo studio di questi oggetti quantistici, non è mai stato chiaro quale approccio gli scienziati avrebbero dovuto utilizzare nei loro calcoli.
A volte gli scienziati hanno dovuto presumere che gli oggetti quantistici fossero onde per ottenere il risultato corretto. In altri casi, hanno dovuto presumere che gli oggetti fossero effettivamente particelle. A volte entrambi gli approcci hanno funzionato. Ma in altri casi, solo un approccio ha prodotto il risultato corretto, mentre l'altro ha restituito un risultato fasullo. La storia di questo problema risale a molto tempo fa, ma recenti esperimenti hanno gettato nuova luce su questa vecchia questione.
Storia quantistica
Nell'omonimo esperimento della doppia fenditura, condotto per la prima volta da Thomas Young nel 1801, la luce si comportava come un'onda. In questo esperimento, un raggio laser viene diretto verso una doppia fenditura, quindi viene osservato il pattern risultante. Se la luce fosse composta da particelle, ci si aspetterebbe due blocchi di luce a forma di fenditura. Il risultato sono invece tanti piccoli blocchi di luce disposti secondo uno schema caratteristico. Posizionare una doppia fenditura nel flusso d'acqua risulterebbe nello stesso schema appena sotto. Quindi questo esperimento ha portato alla conclusione che la luce è un'onda.
Poi, nel 1881, Heinrich Hertz fece una scoperta divertente. Quando ha preso due elettrodi e ha applicato una tensione sufficientemente alta tra di loro, sono apparse scintille. E 'normale. Ma quando Hertz ha illuminato questi elettrodi, la tensione della scintilla è cambiata. Ciò è stato spiegato dal fatto che la luce ha eliminato gli elettroni dal materiale dell'elettrodo. Ma, stranamente, la velocità massima degli elettroni espulsi non cambiava se cambiava l'intensità della luce, ma cambiava con la frequenza della luce. Questo risultato sarebbe impossibile se la teoria delle onde fosse vera. Nel 1905 Albert Einstein ebbe una soluzione: la luce era in realtà una particella. Tutto questo è stato insoddisfacente. Gli scienziati preferiscono una teoria che è sempre vera a due teorie che a volte sono vere. E se una teoria è vera solo qualche volta, allora vorremmo almeno poter dire in quali condizioni è vera.
Ma era proprio questo il problema di questa scoperta. I fisici non sapevano quando considerare la luce o qualsiasi altro oggetto come un'onda e quando come una particella. Sapevano che alcune cose causano un comportamento ondulatorio, come i bordi delle fessure. Ma non avevano una spiegazione chiara del motivo per cui è così o quando usare una teoria.
Questo indovinello si chiama dualismo corpuscolare-onda, è ancora conservato. Ma un nuovo studio potrebbe fare luce sulla situazione. Gli scienziati del Korea Institute of Basic Sciences hanno dimostrato che le proprietà della sorgente luminosa influenzano quanto sia una particella e quanto sia un'onda. Con un nuovo approccio allo studio di questo problema, hanno aperto una strada che potrebbe persino portare a miglioramenti nell'informatica quantistica. O tali speranze.
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Come creare particelle e onde
Nell'esperimento, gli scienziati hanno utilizzato uno specchio semiriflettente per dividere il raggio laser in due parti. Ciascuno di questi raggi colpisce il cristallo, che a sua volta produce due fotoni. Vengono emessi un totale di quattro fotoni, due da ciascun cristallo.
Gli scienziati hanno inviato un fotone da ciascun cristallo nell'interferometro. Questo dispositivo combina due sorgenti luminose e crea uno schema di interferenza. Questo modello è stato scoperto per la prima volta da Thomas Young nel suo esperimento a due fenditure di cui sopra. Questo è anche ciò che si vede quando si lanciano due sassi in uno stagno: increspature d'acqua, alcune delle quali si rafforzano a vicenda, altre si neutralizzano a vicenda. In altre parole, l'interferometro rileva la natura ondulatoria della luce.
I percorsi degli altri due fotoni sono stati usati per determinare le loro caratteristiche corpuscolari. Sebbene gli autori dell'articolo non abbiano specificato come hanno fatto, di solito è fatto facendo passare un fotone attraverso un materiale che mostra dove è andato il fotone. Ad esempio, puoi scattare un fotone attraverso un gas, che poi si accenderà nel punto in cui è passato il fotone. Concentrandosi sulla traiettoria piuttosto che sulla destinazione finale, il fotone può essere un'onda. Questo perché se si misura la posizione esatta del fotone in ogni momento, allora è puntiforme e non può colpire se stesso.
Questo è uno dei tanti esempi nella fisica quantistica in cui una misurazione influisce attivamente sul risultato di detta misurazione. Pertanto, in questa parte dell'esperimento, il pattern di interferenza alla fine della traiettoria del fotone era assente. Pertanto, i ricercatori hanno scoperto come un fotone può essere una particella. La sfida ora era quantificare quanto di questa fosse una particella e quanto fosse rimasto della natura dell'onda.
Poiché entrambi i fotoni dello stesso cristallo sono prodotti insieme, formano un unico stato quantistico. Ciò significa che è possibile trovare una formula matematica che descriva entrambi questi fotoni contemporaneamente. Di conseguenza, se i ricercatori possono quantificare quanto sono forti la "parzialità" e la "lunghezza d'onda" di due fotoni, tale quantificazione può essere applicata all'intero raggio che raggiunge il cristallo.
In effetti, i ricercatori ci sono riusciti. Hanno misurato quanto fosse ondulato il fotone controllando la visibilità del pattern di interferenza. Quando la visibilità era elevata, il fotone era molto simile a un'onda. Quando il modello era appena visibile, hanno concluso che il fotone doveva essere molto simile a una particella.
E questa visibilità è stata accidentale. Era il massimo quando entrambi i cristalli ricevevano la stessa intensità del raggio laser. Tuttavia, se il raggio di un cristallo era molto più intenso dell'altro, la visibilità del modello diventava molto debole ed era più probabile che i fotoni assomigliessero a particelle.
Questo risultato è sorprendente perché nella maggior parte degli esperimenti la luce viene misurata solo sotto forma di onde o particelle. Oggi, in diversi esperimenti, entrambi i parametri sono stati misurati contemporaneamente. Ciò significa che è facile determinare la quantità di ciascuna proprietà di una sorgente luminosa.
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I fisici teorici sono felicissimi
Questo risultato corrisponde alla previsione fatta in precedenza dai teorici. Secondo la loro teoria, quanto ondulatorio e corpuscolare sia un oggetto quantistico dipende dalla purezza della sorgente. La purezza in questo contesto è solo un modo elegante per esprimere la probabilità che una particolare sorgente cristallina sia quella che emette la luce. La formula è la seguente: V2 + P2 = µ2, dove V è la visibilità del pattern direzionale, P è la visibilità del percorso e µ è la purezza della sorgente.
Ciò significa che un oggetto quantistico come la luce può essere in una certa misura simile a un'onda e in una certa misura simile a una particella, ma questo è limitato dalla purezza della sorgente. Un oggetto quantistico è simile a un'onda se è visibile un pattern di interferenza o se il valore di V non è uguale a zero. Inoltre, è simile a una particella se il percorso è osservabile o se P è diverso da zero.
Un'altra conseguenza di questa previsione è che la purezza è che se l'entanglement del percorso quantistico è alto, la purezza è bassa e viceversa. Gli scienziati che hanno condotto l'esperimento lo hanno dimostrato matematicamente nel loro lavoro. Regolando la purezza dei cristalli e misurando i risultati, sono stati in grado di dimostrare che queste previsioni teoriche erano effettivamente corrette.
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Computer quantistici più veloci?
Particolarmente interessante è la connessione tra l'entanglement di un oggetto quantistico e la sua corpuscolarità e ondulazione. I dispositivi quantistici che potrebbero alimentare l'Internet quantistica sono basati sull'entanglement. L'Internet quantistica è un'analogia quantistica di ciò che Internet è per i computer classici. Collegando insieme molti computer quantistici e consentendo loro di condividere i dati, gli scienziati sperano di ottenere più potenza di quella che si potrebbe ottenere con un singolo computer quantistico.
Ma invece di inviare bit a una fibra ottica, che è ciò che facciamo per alimentare l'internet classico, abbiamo bisogno di entangle qubit per formare l'internet quantistica. Essere in grado di misurare l'entanglement di una particella e l'ondulazione di un fotone significa che possiamo trovare modi più semplici per controllare la qualità dell'Internet quantistica.
Inoltre, gli stessi computer quantistici possono migliorare utilizzando il dualismo particella-onda. Secondo la proposta dei ricercatori dell'Università cinese di Tsinghua, è possibile far funzionare un piccolo computer quantistico attraverso un reticolo multi-fessura per aumentarne la potenza. Un piccolo computer quantistico sarebbe composto da pochi atomi che sono a loro volta usati come qubit e tali dispositivi esistono già.
Far passare questi atomi attraverso un reticolo multifessura è molto simile a far passare la luce attraverso una doppia fenditura, anche se ovviamente è un po' più complicato. Ciò creerà più stati quantistici possibili, che, a loro volta, aumenteranno la potenza del computer "infornato". La matematica alla base di questo è troppo complicata per essere spiegata in questo articolo, ma il risultato importante è che un tale computer a due quanti può essere migliore nel calcolo parallelo rispetto ai computer quantistici convenzionali. Il calcolo parallelo è comune anche nel calcolo classico e sostanzialmente si riferisce alla capacità di un computer di eseguire più calcoli contemporaneamente, rendendolo complessivamente più veloce.
Quindi, sebbene questa sia una ricerca molto semplice, possibili applicazioni sono già all'orizzonte. Al momento è impossibile da dimostrare, ma queste scoperte potrebbero accelerare i computer quantistici e accelerare leggermente l'emergere di Internet quantistico.
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Fondamentale, ma molto interessante
Tutto questo dovrebbe essere preso con molto scetticismo. La ricerca è solida, ma è anche molto semplice. Come di solito accade nella scienza e nella tecnologia, c'è molta strada dalla ricerca di base alle applicazioni del mondo reale.
Ma i ricercatori coreani hanno scoperto una cosa molto interessante: il mistero del dualismo particella-onda non scomparirà presto. Al contrario, sembra essere così profondamente radicato in tutti gli oggetti quantistici che è meglio usarlo. Con la nuova base quantitativa relativa alla purezza della fonte, questo sarà più facile da fare.
Uno dei primi casi d'uso può verificarsi nell'informatica quantistica. Come hanno dimostrato gli scienziati, l'entanglement quantistico e il dualismo particella-onda sono correlati. Pertanto, invece dell'entanglement, è possibile misurare la quantità di ondulazione e corpuscolarità. Questo potrebbe aiutare gli scienziati che lavorano alla creazione di un Internet quantistico. Oppure puoi usare dualità per migliorare i computer quantistici e renderli più veloci. Ad ogni modo, sembra che i tempi quantistici eccitanti siano dietro l'angolo.
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Grazie per l'articolo! "Possibili programmi sono già all'orizzonte" - probabilmente non programmi, ma applicazioni?
Grazie, molto interessante. Altri articoli simili.
Grazie! Ci proveremo ;)