Kvantna mehanika je čudna. Teorija koja opisuje djelovanje sitnih čestica i sila, zloglasno je učinila Alberta Einsteina toliko nelagodnim da su 1935. godine on i njegovi kolege tvrdili da mora biti nepotpun - bio je previše "sablasan" da bi bio stvaran.
Povezani sadržaj
- Znanstvenici hvataju Schrödingerovu mačku na kameri
- Sedam jednostavnih načina za koje znamo da je Einstein bio u pravu (za sada)
- Čudna fizika može učiniti nevidljivu mačku vidljivom
- Lockheed Martin ima ludo brze kvantna računala i planove za njihovo stvarno korištenje
Problem je u tome što se čini da kvantna fizika prkosi zdravim razumima ideja uzročnosti, lokaliteta i realizma. Na primjer, znate da mjesec postoji čak i kad ga ne gledate - to je realizam. Uzročnost nam govori da ako uključite prekidač svjetla, žarulja će se upaliti. A zahvaljujući čvrstom ograničenju brzine svjetlosti, ako sada pritisnete prekidač, srodni učinak se ne bi mogao odmah pojaviti na milion svjetlosnih godina u skladu s lokalitetom. Međutim, ti se principi razgrađuju u kvantnom carstvu. Možda je najpoznatiji primjer kvantno zapletenost, koje kaže da se čestice na suprotnim stranama svemira mogu međusobno povezati tako da odmah dijele informacije - ideja koja je Einsteina podsmjehnula.
No 1964. godine, fizičar John Stewart Bell dokazao je da je kvantna fizika u stvari potpuna i izvediva teorija. Njegovi rezultati, sada nazvani Bell-ovim teoremom, učinkovito su dokazali da su kvantna svojstva poput zapletenosti stvarna kao i mjesec, a danas su bizarna ponašanja kvantnih sustava korištena za upotrebu u različitim stvarnim aplikacijama. Evo pet najintrigantnijih:
Stroncijev sat, koji su NIST i JILA otkrili u siječnju, zadržat će točno vrijeme za sljedećih 5 milijardi godina. (Grupa Ye i Brad Baxley, JILA) Ultra precizni satovi
Pouzdano čuvanje vremena otprilike je samo vaš jutarnji alarm. Satovi sinkroniziraju naš tehnološki svijet, usklađujući stvari poput berzi i GPS sustava. Standardni satovi koriste redovite oscilacije fizičkih objekata poput klatna ili kvarcnih kristala za proizvodnju „krpelja“ i „čarapa“. Danas su najprecizniji satovi na svijetu, atomski satovi, u mogućnosti koristiti principe kvantne teorije za mjerenje vremena. Oni prate određenu frekvenciju zračenja koja je potrebna kako bi elektroni preskočili između energetskih razina. Kvantno-logički sat na američkom Nacionalnom institutu za standarde i tehnologiju (NIST) u Coloradu gubi ili dobiva tek svake 3, 7 milijardi godina. A sat stroncijevog NIST-a, predstavljen početkom ove godine, bit će tačan za 5 milijardi godina - duže od trenutnog doba Zemlje. Takvi super osjetljivi atomski satovi pomažu u GPS navigaciji, telekomunikacijama i geodetu.
Preciznost atomskog sata djelomično se oslanja na broj korištenih atoma. Svaki atom čuvan u vakuumskoj komori mjeri vrijeme i pazi na slučajne lokalne razlike između sebe i svojih susjeda. Ako znanstvenici ubace 100 puta više atoma u atomski sat, to postaje 10 puta preciznije - ali postoji ograničenje u koliko atoma možete ugurati. Sljedeći veliki cilj istraživača je uspješno korištenje zapletenosti kako bi se povećala preciznost. Upleteni atomi ne bi bili preokupirani lokalnim razlikama, već bi samo mjerili prolazak vremena, učinkovito ih spajajući kao jedinstveno klatno. To znači da bi dodavanje 100 puta više atoma u zapleteni sat učinilo 100 puta preciznijom. Zapleteni satovi mogli bi se čak povezati u svjetsku mrežu koja bi mjerila vrijeme neovisno o lokaciji.
Promatrači će se teško probiti u kvantno dopisivanje. (VOLKER STEGER / Knjižnica znanstvenih fotografija / Corbis) Nerašivi kodovi
Tradicionalna kriptografija funkcionira pomoću ključeva: pošiljatelj koristi jedan ključ za kodiranje informacija, a primatelj drugi koristi za dekodiranje poruke. Međutim, teško je ukloniti rizik od prisluškivanja i ključevi mogu biti ugroženi. To se može popraviti korištenjem potencijalno neraskidive kvantne distribucije ključeva (QKD). U QKD-u informacije o ključu šalju se putem fotona koji su nasumično polarizirani. To ograničava foton tako da vibrira u samo jednoj ravnini - na primjer, gore i dolje ili slijeva udesno. Primatelj može upotrijebiti polarizirane filtre za dešifriranje ključa, a zatim pomoću odabranog algoritma za sigurno šifriranje poruke. Tajni se podaci i dalje šalju preko uobičajenih komunikacijskih kanala, ali nitko ih ne može dekodirati ako nema točan kvantni ključ. To je teško, jer kvantna pravila diktiraju da će "čitanje" polariziranih fotona uvijek mijenjati njihova stanja, a svaki pokušaj prisluškivanja upozorit će komunikatore na kršenje sigurnosti.
Danas tvrtke poput BBN Technologies, Toshiba i ID Quantique koriste QKD za dizajn ultra sigurnih mreža. Švicarska je 2007. godine isprobala proizvod ID Quantique kako bi osigurala sustav glasanja zaštićen od neovlaštenih zloporaba tijekom izbora. A prvi bankovni prijenos pomoću zapletenog QKD-a nastavio se u Austriji 2004. godine. Ovaj sustav obećava da će biti vrlo siguran, jer ako se zaplete fotoni, bilo kakve promjene njihovih kvantnih stanja koje izvršavaju međuslojevi bit će odmah vidljive svima koji nadziru prijenos ključeva čestice. Ali ovaj sustav još uvijek ne radi na velikim udaljenostima. Do sada su zapleteni fotoni prenošeni na maksimalnoj udaljenosti od oko 88 milja.
Krupni računalni čip D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Super moćna računala
Standardno računalo kodira informacije kao niz binarnih znamenki ili bita. Kvantna računala pretrpavaju procesorsku snagu jer koriste kvantne bitove ili kvitete koji postoje u superpoziciji stanja - dok se ne mjere, kubiti mogu istovremeno biti i "1" i "0".
To se polje još uvijek razvija, ali je došlo do koraka u pravom smjeru. U 2011. godini D-Wave Systems je otkrio D-Wave One, 128-kbitni procesor, a godinu dana kasnije 51-kbitni D-Wave Two. Tvrtka kaže da su ovo prva svjetska komercijalno dostupna kvantna računala. Međutim, ova se tvrdnja susrela sa skepticizmom, dijelom i zato što je još uvijek nejasno jesu li kvitovi D-Wavea zapleteni. Studije objavljene u svibnju otkrile su dokaze zapletenosti, ali samo u malom podskupinu računala. Postoji i neizvjesnost oko toga da li čipovi prikazuju pouzdano kvantno ubrzanje. Ipak, NASA i Google udružili su se kako bi formirali kvantni laboratorij umjetne inteligencije temeljen na D-talasu dva. A znanstvenici sa Sveučilišta u Bristolu prošle godine su povezali jedan od svojih tradicionalnih kvantnih čipova na Internetu kako bi svatko tko ima web preglednik mogao naučiti kvantno kodiranje.
Pratite oštro zapletenost. (Ono i dr., Arxiv.org) Poboljšani mikroskopi
U veljači je tim istraživača s japanskog Sveučilišta Hokkaido razvio prvi svjetski mikroskop opleten s zametkom, koristeći tehniku poznatu kao diferencijalna interferencijalna mikroskopija. Ova vrsta mikroskopa ispaljuje dvije zrake fotona na neku tvar i mjeri interferencijski uzorak koji stvaraju reflektirane zrake - uzorak se mijenja ovisno o tome pogađaju li ravnu ili neravnu površinu. Korištenje zapletenih fotona znatno povećava količinu informacija koje mikroskop može prikupiti, jer mjerenje jednog zapletenog fotona daje podatke o svom partneru.
Ekipa Hokkaido uspjela je slikati ugravirani "Q" koji je stajao samo 17 nanometara iznad pozadine s neviđenom oštrinom. Slične tehnike bi se mogle koristiti za poboljšanje razlučivosti astronomskih alata nazvanih interferometri, koji nanose različite svjetlosne valove kako bi bolje analizirali njihova svojstva. Interferometri se koriste u lovu za ekstrasolarne planete, za sondiranje obližnjih zvijezda i za traženje valova u svemirskom vremenu koje nazivamo gravitacijskim valovima.
Europska robinja može biti kvantna prirodna. (Andrew Parkinson / Corbis) Biološki kompasi
Ljudi nisu jedini koji koriste kvantnu mehaniku. Jedna vodeća teorija sugerira da ptice poput europske robinje koriste sablasnu akciju da budu u toku kad migriraju. Metoda uključuje protein osjetljiv na svjetlost, nazvan kriptohrom, koji može sadržavati upletene elektrone. Kako fotoni ulaze u oči, oni upadaju u molekule kriptohroma i mogu isporučiti dovoljno energije da ih razdvoje, tvoreći dvije reaktivne molekule ili radikale s neparnim, ali još uvijek zapetljanim elektronima. Magnetsko polje koje okružuje pticu utječe na to koliko dugo traju ti kriptohromski radikali. Smatra se da su stanice u mrežnici ptice vrlo osjetljive na prisutnost upletenih radikala, što omogućava životinjama da učinkovito 'vide' magnetsku kartu na temelju molekula.
Međutim, ovaj postupak nije u potpunosti razumljiv, a postoji i druga mogućnost: Ptice bi magnetsku osjetljivost mogle uzrokovati mali kristali magnetskih minerala u kljunovima. Ipak, ako se zapletanje zaista igra, eksperimenti sugeriraju da osjetljivo stanje mora ptičjem oku trajati mnogo duže nego čak i u najboljim umjetnim sustavima. Magnetski kompas mogao bi se također primijeniti na određene guštere, rakove, insekte, pa čak i na neke sisavce. Na primjer, oblik kriptokroma koji se koristi za magnetsku navigaciju u muhama nađen je i u ljudskom oku, iako je nejasno je li neki put bio koristan u slične svrhe.
