Unsere Welt ist unglaublich komplex. Wenn Sie durch ein Teleskop schauen, dann öffnet sich das ganze Universum vor uns, unendlich und expandiert immer schneller. Allein der Gedanke, dass es im beobachtbaren Universum etwa 10 Billionen Galaxien gibt, kann Ihnen den Kopf verdrehen. Aber wenn wir das Teleskop beiseite legen, stellen wir schnell fest, dass um uns (und in uns) Billionen winziger Bakterien, Mikroorganismen und Viren wie COVID-19 leben. Und wenn wir diese verborgene Welt mit Hilfe spezieller Werkzeuge genauer betrachten, werden wir irgendwann einen Mikrokosmos sehen, der nicht nur mit Bakterien gefüllt ist, sondern auch mit den Atomen, aus denen sie bestehen. Als Ergebnis haben wir es mit einem komplexen Makrokosmos mit seinen Planeten und Galaxien zu tun und einem Mikrokosmos, der nach seinen eigenen Gesetzen arbeitet. Wie Physiker anmerken, ermöglicht die Quantenmechanik die Beschreibung der Bewegung von Elektronen und Protonen sowie die Untersuchung der Gesetze, die die Mikrowelt beherrschen. Es ist interessant, dass eines der ungelösten und dringendsten Probleme der modernen Physik die Inkonsistenz der Quantenmechanik und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (GTR) ist, die beschreibt, wie unsere Welt und die Welt außerhalb der Erde funktionieren. Und in letzter Zeit sind Wissenschaftler sogar noch weiter gegangen. Sie verknüpften nicht nur zwei quantenverschränkte Objekte, sondern erfanden auch einen neuen Ansatz für das Quantencomputing.
Die Physik entwickelt sich rasant, insbesondere die Quantenmechanik
Inhalt
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Eintauchen in die Quantenwelt
Als Wissenschaft, die die Struktur der Welt um uns herum beschreibt, hat die Quantenmechanik es der Menschheit ermöglicht, digitale Technologien, das Internet, Medikamente und Medizin zu erwerben und sogar den Weltraum zu beherrschen. Nur wenige Leute denken darüber nach, aber wenn die Quantenmechanik nicht zu Beginn des 20. Jahrhunderts geschaffen worden wäre, wäre nichts davon passiert. Wenn es also von einigen Forschern ein angebliches Multiversum gibt, gibt es vielleicht irgendwo eine Welt, die dieser physikalischen Theorie auf wundersame Weise entkommen ist.
Wir haben unglaubliches Glück mit Ihnen, denn Quantentechnologien sind buchstäblich überall um uns herum. Der Bildschirm des Smartphones oder Computers, von dem aus Sie diesen Artikel lesen, die LED-Glühbirne in Ihrem Schlafzimmer – all diese Geräte basieren wie alle ihre Komponenten auf Transistoren. Systeme wie GPS verwenden Atomuhren und faseroptische Kommunikationsleitungen verwenden Laserstrahlung. Ganz zu schweigen von Atomenergie und Waffen.
Moderne Quantentechnologien sind erstaunlich
Interessanterweise können Laser, GPS-Navigatoren, Tomographen und Transistoren nicht zufällig erfunden werden, ohne die Gesetze der Quantenwelt zu verstehen. Und doch hat, wie so oft in der Welt der wissenschaftlichen Entdeckungen, der Quantenmechanik unglaublich wenig Aufmerksamkeit geschenkt, obwohl sie einen großen Einfluss auf unsere zivilisatorische Entwicklung hatte. Darüber hinaus lieben es alle möglichen Scharlatane und Obskurantisten, es zu weben, als ob sie sagen wollten, aber niemand versteht die Quantenphysik, so gut wie diese unsere Felder/Chakren/Auren & # 187; und weiter unten in der Liste.
Natürlich ist die Quantenmechanik eine komplexe Wissenschaft. Und es wurde von echten Genies erschaffen. Aber Sie können immer noch versuchen, es mit Anstrengung, Neugier und einer guten Vorstellungskraft herauszufinden.
Entstehung der Quantenmechanik
Seit 1900 haben Wissenschaftler den Grundstein für die Quantentheorie gelegt. Da die klassische Mechanik bereits entwickelt und weit verbreitet war, versuchten Physiker, sie mit einer Reihe von & # 171; Quantenbedingungen & # 187; – solche, die der klassischen Physik widersprechen, aber notwendig sind, um die erhaltenen experimentellen Daten zu erklären. Tatsächlich war es das Aufkommen der Quantenphysik, das zeigte, dass Licht aus winzigen unteilbaren Einheiten oder Quanten besteht – die Energie, die wir Photonen nennen.
1925 veröffentlichte der Physiker einen revolutionären Artikel des Physikers Werner Heisenberg (er schlug vor, dass die Realität erst existiert, wenn sie beobachtet wird). Und nur zwei Jahre später, während der Solvay-Konferenz 1927, wurde die Quantenmechanik offiziell formuliert. Ich habe Ihnen in diesem Artikel mehr darüber erzählt, wie sich dieses erstaunliche Gebiet der Physik entwickelt hat, und ich empfehle Ihnen, es zu lesen.
Physiker haben zuerst zwei verschiedene Quantenobjekte verknüpft
Seitdem ist dem wissenschaftlichen Fortschritt ein echter Durchbruch gelungen. Wissenschaftler haben einen Ansatz zur Untersuchung spezifischer und unglaublich komplexer Probleme gefunden und eine praktische Notation entwickelt, die dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik zugrunde liegt. Interessanterweise führen die Forscher nun eine Reihe von Experimenten durch, deren Ergebnisse nicht diesem Modell entsprechen. Erfahren Sie mehr darüber, warum manche Wissenschaftler von der Geburt der “neuen Physik” sprechen. kann hier gelesen werden.
Nach 1927 wuchs die Kontroverse zwischen Wissenschaftlern. Albert Einstein konnte sich also nicht mit dem Konzept des Physikers Nielson Bohr anfreunden, wonach Atome winzigen Modellen des Sonnensystems ähneln, da sich Elektronen wie Planeten um den Kern kreisen. Spätere Experimente haben jedoch gezeigt, dass sich Elektronen anders verhalten als die Planeten des Sonnensystems.
Heute wissen wir, dass sich ein Elektron sofort von einer Umlaufbahn in eine andere bewegt, als ob es den Raum zwischen ihnen nicht überqueren würde. Physiker nennen diesen Vorgang den „Quantensprung“. Aber es gibt noch eine weitere, vielleicht die seltsamste Eigenschaft der Quantenmechanik. Und das ist Quantenverschränkung.
Sie fragen sich vielleicht: Impliziert die Quantenmechanik mehrere Welten oder was ist Everetts Interpretation?
Quantenverschränkung
Trotz Kritik an der Quantentheorie glaubte Albert Einstein, dass etwas fehlt. Etwas, das es uns ermöglichen würde, die Eigenschaft von Teilchen zu beschreiben, einschließlich ihrer Position zu einer Zeit, in der sie niemand beobachtet (hier sprechen wir über Jungs Experiment, wir haben hier ausführlicher gesprochen). Und 1935 fand ein genialer Wissenschaftler seine Schwachstelle – ein unglaublich seltsames Phänomen, das allen bekannten bestehenden Gesetzen widerspricht – Quantenverschränkung .
Quantenverschränkung – eine theoretische Annahme, die aus den Gleichungen der Quantenmechanik folgt. Verschränkung besagt, dass sich zwei Teilchen verschränken können, wenn sie nahe genug beieinander liegen. In diesem Fall werden ihre Eigenschaften miteinander verbunden.
Aber das ist nicht alles. Wenn Sie diese Teilchen trennen und in verschiedene Richtungen senden (wie von der Quantenmechanik vorgeschlagen), bleiben sie immer noch verschränkt und untrennbar verbunden. Einstein schlug vor, diese unmögliche Verbindung “übernatürliche Fernkommunikation” zu nennen.
Die Quantenmechanik ist eines der wichtigsten und schwierigsten Gebiete der Physik
Nehmen wir an, jemand nimmt ein Paar Handschuhe, trennt sie und steckt sie in einen separaten Koffer. Dann wurde Ihnen ein Koffer geschickt und der zweite in die Antarktis. Bis zu dem Moment, in dem die Koffer geschlossen sind, weiß man nicht, welcher der Handschuhe da ist. Aber wenn wir den Koffer öffnen und den linken Handschuh darin finden, wissen wir mit 100%iger Sicherheit, dass der rechte Handschuh in der Antarktis im Koffer ist, auch wenn niemand hineingeschaut hat, – Physiker Brian Green in einem Programm über Quantenverschränkung für National Geographic.
Jetzt hat diese Geschichte eine unglaubliche Fortsetzung erhalten. Ein Team von Wissenschaftlern hat eine große internationale Studie durchgeführt, die die verborgenen Strukturen der Quantenverschränkung aufdeckt . Aber das Wichtigste zuerst.
Wie verbindet man zwei verschränkte Quantenobjekte?
2020 konnten Forscher des Niels-Bohr-Instituts der Universität Kopenhagen zwei sehr unterschiedliche Quantenobjekte verknüpfen. Das Ergebnis hat mehrere potenzielle Anwendungen in der Ultrapräzisionssensorik und Quantenkommunikation. Den vollständigen Text der wissenschaftlichen Arbeit finden Sie in der Zeitschrift Nature Physics.
Verschränkung ist die Grundlage für Quantenkommunikation und Quantensensorik. Im Grunde ist es eine Quantenbindung zwischen zwei Objekten, die sie wie ein einzelnes Quantenobjekt verhalten lässt.
Den Forschern gelang es, eine Verschränkung zwischen einem mechanischen Generator – einer vibrierenden dielektrischen Membran – und einer Atomwolke herzustellen, die jeweils wie ein winziger Magnet wirken. Es ist uns gelungen, diese sehr unterschiedlichen Entitäten zu verwechseln, indem wir sie mit Photonen – Lichtquanten – verbunden haben. Atome können für die Verarbeitung von Quanteninformationen nützlich sein, und Membranen – oder mechanische Quantensysteme im Allgemeinen – können nützlich sein, um Quanteninformationen zu speichern.
Nach dem Prinzip der Quantenverschränkung können zwei Teilchen in großen Abständen miteinander verknüpft werden
Professor Eugene Polzik, der diese Arbeit leitete, sagte: Mit dieser neuen Technik sind wir auf dem Weg, die Grenzen der Verschränkung zu verschieben. Je größer die Objekte, je weiter sie voneinander entfernt sind, je ungleicher sie sind, desto interessanter wird die Verschränkung sowohl aus fundamentaler als auch aus angewandter Sicht. С новым результатом стало возможным переплетение между очень разными объектами.
Примечательно, что запутанные системы могут оставаться идеально коррелированными, даже если они находятся на расстоянии друг от друга — именно эта особенность так тревожила ученых 100 лет zurück.
Das Aufkommen neuer Quantentechnologien
2021 schlug ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter Forscher aus Schottland, Taiwan und Südafrika, ein neues und schnelles Werkzeug für Quantencomputer und Kommunikation vor.
In vielen Dimensionen verschränkte Quantenzustände sind der Schlüssel zu unseren neuen Quantentechnologien, bei denen mehr Dimensionen eine höhere Quantenbandbreite (schneller) und eine bessere Rauschimmunität (Sicherheit) bedeuten, was sowohl für eine schnelle und sichere Kommunikation als auch für die Beschleunigung fehlerfreier Quanten entscheidend ist Computing, schreiben die Autoren der neuen Studie.
Den Forschern ist es gelungen, unglaubliche Ergebnisse zu erzielen.
Das ist interessant: Warum ist die Quantenphysik mit Magie verwandt?
Im Laufe ihrer Arbeit ist es ihnen gelungen, einen neuen Ansatz für die Studie von & # 171; multidimensional & # 187; Quantenzustände, wodurch die Messzeit von Jahrzehnten auf Minuten verkürzt wird. Das Team testete diesen Ansatz an einer 100-dimensionalen Quantenverschränkung. Sie konnten zeigen, dass Grundinformationen eines Quantensystems – wie viele Messungen verschränkt sind und in welchem Reinheitsgrad – in Minuten gewonnen werden können.
Der neue Ansatz erfordert nur einfache Vorhersagen, die in den meisten Labors mit gängigen Werkzeugen leicht durchgeführt werden können. Am Beispiel des Lichts haben Physiker ihre Messungen komplett digitalisiert. Das Problem, berichten die Autoren, ist, dass hochdimensionale Zustände zwar leicht erzeugt werden, insbesondere mit verschränkten Lichtteilchen (Photonen), aber nicht einfach zu messen sind – der Werkzeugkasten zum Messen und Manipulieren ist fast leer.
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Sie können nicht das ganze Bild sehen, daher ist es sehr schwierig, genaue Daten zu erhalten. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, eine Tomographie durchzuführen, wie es Ärzte tun, und ein Bild aus vielen, vielen Schnitten eines Objekts zu erstellen, erklären die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit.
Wer weiß, wohin die neuesten Entdeckungen führen
Mit dem entwickelten Ansatz gingen die Forscher davon aus, dass es eine Reihe von Messungen gibt, die wichtige Informationen zu beiden Objekten enthalten. Technisch gesehen haben Physiker diese beiden Messansätze kombiniert, um Mehrfachprojektionen (die wie eine Tomographie aussehen) zu machen und die Sichtbarkeit des Ergebnisses zu messen. Ihre Methode führte zur Enthüllung versteckter Informationen, die aus der Kraft der Quantenkorrelationen in vielen Dimensionen extrahiert werden konnten.
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Kombination aus Geschwindigkeit und Informationen, die mit dem neuen & # 171;-Tomographen & # 187; Ansatz bedeutet, dass wichtige Quantenparameter wie Dimension und Reinheit eines Quantenzustands schnell und quantitativ bestimmt werden können. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht, den Text können Sie hier lesen.
Das Team betrachtet ihren Ansatz nun als einen Faktor, der die Erforschung echter Quantenkommunikationskanäle beeinflussen kann, bei denen schnell Messung ist entscheidend .
Dies ist eine so komplexe, paradoxe und wunderbare Welt wissenschaftlicher Entdeckungen. Mal sehen, was als nächstes passiert, aber es scheint, dass Physiker etwas wirklich Interessantes gefunden haben.