infos.ro

Putem construi un ceas cuantic care este în întregime cuantic?

Autor:, www.newscientist.com

2F8Y7GF Concept de artă digitală științific spațial, ceas de răsucire a distorsiunii timpului în spațiu îndoit curbat în timp ce gaura reprezintă teoria spațiului și a timpurilor lui Einstein

Ceasurile ar putea primi o actualizare cuantică

Credit: Quality Stock / Alamy Stock Photo

Următorul este un extras din buletinul nostru informativ Lost in Space-Time. În fiecare lună, predăm tastatura unui fizician sau doi pentru a vă spune despre idei fascinante din colțul lor de univers. Înscrieți-vă la Lost in Space-Time Aici.

Ceasurile ne reglează viața, dictând când dormim și ne trezim, dacă ne luăm zborurile spre casă și cine câștigă o avere pe Wall Street. Și așa cum ceasurile ne guvernează, ele guvernează dispozitivele cuantice.

Lua calculatoare cuantice. O parte de bază a efectuării oricărui calcul este executarea anumitor sarcini la anumite momente. Sistemele de control clasice externe păstrează timpul pentru calculatoarele cuantice de astăzi, dar un sistem de control care ar putea funcționa în întregime în domeniul cuantic ar deschide noi posibilități. Dându-ne frâu liber imaginației, ne-am putea imagina niște drone cuantice minuscule care pot schimba sau livra molecule. Astfel de mașini autonome ar trebui să aibă propriile ceasuri și acele ceasuri ar trebui să fie și ele cuantice pentru a preveni ca mașinile să-și piardă caracterul cuantic. De exemplu, tehnologiile cuantice beneficiază incurcarea, corelații puternice care sincronizează particulele cuantice. Cu cât o dronă cuantică a interacționat mai mult cu dispozitivele obișnuite, cu atât mai mult încâlcirea ei s-ar putea disipa.

Întrebarea este, putem construi un astfel de ceas cuantic care să facă treaba?

Înainte de a ne scufunda, ar trebui să clarific că un ceas cuantic autonom nu este același lucru cu așa-numitul ceasuri atomice pe care le puteți cumpăra din magazine. Bunicii mei au cumpărat un astfel de „ceas atomic” și l-au atârnat în bucătăria lor, dar al lor ar fi fost numit mai exact „ceas controlat prin radio”. În fiecare zi, ceasul a primit semnale radio de la un avanpost din Colorado al Institutului Național de Standarde și Tehnologie (NIST), sincronizându-l cu un ceas foarte precis operat de NIST.

Ceasul NIST era un ceas atomic real – un ceas cuantic, dar unul al cărui controler nu exista în întregime în domeniul cuantic. Un ceas atomic conține atomi care pot absorbi doar anumite cantități de energie în pachete discrete – ca cineva care poate mânca un pachet de chipsuri, dar nu o jumătate de pachet. A laserul strălucește asupra atomilor, iar un controler extern măsoară câți atomi au mâncat, ca să spunem așa, pachete crocante de la laser. Dacă mulți atomi au, atunci lumina laserului constă din particule cu cantitatea potrivită de energie – o cantitate calculabilă cu teoria cuantică. Pe lângă faptul că constă din particule, lumina are proprietăți asemănătoare undelor și astfel, într-un fel, oscilează în sus și în jos. Timpul dintre oscilații este o fracțiune de secundă calculabilă, care este definită în funcție de energia pe care o pot absorbi atomii. Deci măsurăm o secundă așteptând ca lumina laser să oscileze de un anumit număr de ori. Controlerul care măsoară energia atomilor nu este cuantic, așa că un ceas atomic nu este singurul ceas de care vom avea nevoie pentru era cuantică steampunk.

Pionier al fizicii cuantice Wolfgang Pauli petrecut timp în anii 1920 gândindu-se la ceasurile cuantice, printre multe alte lucruri. Interesele lui Pauli s-au extins de la fizica cuantică la psihologie și filozofie, iar numele său este acum legat de principiul de excludere Pauli care guvernează modul în care electronii se organizează în atomi. S-a concentrat pe concepte simple, dar fundamentale – și ce este timpul, dacă nu fundamental?

Pauli a subliniat că un ceas cuantic ideal are un timp „observabil”. Observabil este denumirea fizică pentru o proprietate măsurabilă a unui sistem cuantic. Exemple de observabile includ energia, poziția și impulsul. Ora observabilă a unui ceas cuantic ideal are o valoare bine definită. Cum ar putea un observabil nu au o valoare bine definită? La urma urmei, aveți o energie, o poziție și un impuls bine definite. Dar poziția cuantică și impulsul participă la o relație de incertitudine. Dacă o particulă cuantică are o poziție bine definită, particula nu are un impuls bine definit; în limbajul cuantic, particula se află într-o suprapunere a tuturor momentelor posibile. Dacă măsurați impulsul, detectorul dumneavoastră poate citi orice număr pozitiv, orice număr negativ sau zero. Analog cu poziția bine definită a particulei este timpul bine definit al unui ceas cuantic ideal; ceasul nu ar fi într-o suprapunere de multe ori.

Dar timp si energie participă la o relație de incertitudine similară poziției și impulsului. Deci un sistem cuantic cu un timp bine definit ar fi într-o suprapunere a tuturor energiilor posibile. Mai mult, suprapunerea ar fi răspândită uniform pentru toate energiile posibile: dacă ai măsura energia ceasului, probabilitatea ta de a obține un rezultat posibil ar fi egală cu probabilitatea de a obține orice alt rezultat posibil.

Energie infinit negativă

Pauli a demonstrat matematic că niciun sistem cuantic nu poate avea un timp observabil. Dacă un sistem ar avea, ar putea avea o cantitate infinit negativă de energie. A avea o cantitate infinit negativă de energie este imposibil în lumea noastră. Deci, conform mecanica cuanticălumea noastră nu găzduiește observabile temporale – sau ceasuri cuantice ideale.

Din fericire, nu avem nevoie de un ceas cuantic ideal – un ceas cuantic suficient de bun ar putea fi, ei bine, suficient de bun. Cum desenarea unei forme rotunde pe o bucată de hârtie poate aproxima un cerc, la fel și un ceas cuantic poate aproxima unul ideal. Și trei colegi de-ai mei – Jonathan Oppenheim, Mischa Woods și Ralph Silva – au reușit să proiecteze un astfel de ceas cuantic.

După cum mi-au explicat Jonathan și Mischa când i-am vizitat la Londra într-o primăvară, ceasul lor teoretic se apropie de starea ideală a timpului, suprapunere răspândit uniform în toate energiile. Suprapunerea lor este răspândită inegal într-un anumit model: dacă măsurați energia ceasului, este mai probabil să obțineți unele rezultate decât altele. Deci energia ceasului este încă incertă, dar nu maxim incertă. Prin urmare, ceasul nu încalcă legile fizicii à la Pauli.

În plus, ceasul este destul de stabil. Citirea unui ceas cuantic nu este ca și citirea unui ceas clasic. Faptul de a-l folosi pentru a determina timpul ar declanșa un fenomen cuantic contraintuitiv: perturbarea măsurării. Poți observa un ceas de zi cu zi fără a afecta ora pe care o raportează, la fel cum un polițist poate înregistra viteza mașinii tale fără să observi (de unde și existența avizelor de viteză). Dar sistemele cuantice sunt mai delicate decât sistemele de zi cu zi. daca tu măsoară un sistem cuantic – sau interacționați cu el în orice alt mod – îl perturbați, schimbându-i starea. Dacă măsurați energia sistemului, probabil că îi veți schimba energia.

Citirea orei de pe un ceas cuantic nu ar interfera cu pontaj dacă ceasul ar fi ideal. Dar un ceas imperfect s-ar degrada odată cu folosirea, reducându-ne capacitatea de a distinge momentele. Ați putea la fel de bine să priviți un ceas bunic prin ochelari din ce în ce mai neclari: ora 6 se va amesteca în 5.59 și 6.01, apoi în 5.58 și 6.02. Tulburările împiedică, de asemenea, capacitatea ceasului de a iniția procese, cum ar fi porțile logice într-un calcul, la momentele dorite.

Cât de bine putea să reziste ceasul lui Mischa, Ralph și Jonathan la asemenea tulburări? Nu prea rău, ați putea spune, dacă îmi canalizez colegii din Marea Britanie. Imaginați-vă că creșteți ceasul – adăugându-i particule, deși nu atât de multe particule încât ceasul să-și piardă natura cuantică. Cu cât ceasul este mai mare, cu atât este mai mare rezistența lui. Și a da puțin îți aduce mult: pe măsură ce ceasul crește, rezistența lui crește exponențial.

Până acum, astfel de proprietăți rămân teoretice, iar oamenii de știință au greutăți să construiască chiar și computere cuantice controlate extern, cu atât mai puțin autonome. Dar controlul experimentelor asupra sistemelor cuantice a avansat rapid în ultimele trei decenii și nu arată semne de încetinire. Ceasurile autonome vor permite computerelor cuantice și altor mașini să funcționeze independent? Indiferent dacă este măsurat pe un ceas cuantic sau unul de zi cu zi, timpul va spune.

Nicole Yunger Halpern conduce, probabil, cel mai bine numit grup de cercetare din univers: Laboratorul Quantum-Steampunk. Munca ei implică re-vizuirea termodinamicii pentru era cuantică. Fizica motoarelor cu abur și a mașinilor industriale a fost elaborată cu aproximativ un secol înainte ca teoria cuantică să fi cristalizată în anii 1920 – și cu aproape două secole înainte ca start-up-urile din domeniul tehnologiei să înceapă să folosească fizica cuantică pentru a construi computere și senzori – așa că ea și echipa ei cred că termodinamica este acum din cauza unei actualizări.

Mai multe despre aceste subiecte:

You might also like