Kvanttiporukassa tapahtuu jotain todella outoa

Oletko valmis kyseenalaistamaan kaiken, mitä luulet tietäväsi maailman toiminnasta?

Kuvittele tilanne: Kävelet kadulla, ja edessäsi on valtava muuri. Kierräät sen kaukaa. Mutta jotenkin se muuri työntää sinua silti. Arki生活中 näin ei tapahdu — mutta kvanttimaailmassa? Siellä tapahtuu todella häkellyttäviä asioita.

Näkymätön kosketus, joka pysäyttää

Oxfordin yliopiston tutkijat tekivät juuri jotain hämmästyttävää. He rakensivat kvanttitietokoneen, joka osaa simuloida tilannetta, jossa pienenen hiukkanen pysähtyy täysin magneettikentän vaikutuksesta — ilman, että se on koskaan edes koskenut tuota kenttää.

Kyllä, luit oikein. Hiukkasen reitti vei sen täysin eri suuntaan, mutta silti — bum — sen käyttäytyminen muuttui dramaattisesti.

Tätä ilmiötä kutsutaan Aharonov-Bohmin efektiksi, ja se on hämmästyttänyt fyysikoita vuodesta 1959 lähtien.

Asian ydin on tässä: arkimaailmassa sinun täytyy koskea johonkin tai olla sen lähellä, jos haluat työntää sitä. Mutta kvanttifyysiikassa säännöt ovat aivan toiset. Varattu hiukkanen voi olla magneettisen "vuon" vaikutuksen alainen — ajattele sitä näkymättömänä magneettisena energiana — vaikka se liikkuisi alueella, jossa ei ole lainkaan magneettikenttää.

Miten he sen tekivät?

Oxfordin tiimi loi niin sanotun hybridin kvanttijärjestelmän. Ajattele sitä pienenä kvanttilasten leikkipaikkana, jossa on kaksi pääkomponenttia.

Ensin he käyttivät kubitteja — nämä ovat kvantti-informaation perusyksiköitä, suunnilleen kuten tavalliset bitit tietokoneissa, mutta paljon epävakaampia ja kiinnostavampia. Kubitit koodattiin loukkuun jääneisiin ioneihin, eli varattuihin atomeihin, joita sähkömagneettiset kentät pitävät paikallaan.

Sitten he lisäsivät kvanttioskillaattorit, jotka syntyvät noiden loukkuun jääneiden ionien värinästä. Ne edustavat liikettä.

Yhdistämällä kubitit oskillaattoreihin he loivat yksinkertaisen silmukan, joka toimii peruspalikkana niin kutsutulle hila-gauge-teorialle. Ilman syvempää sukeltamista matematiikkaan: nämä teoriat auttavat fyysikkoja ymmärtämään, miten aine vuorovaikuttaa universumin perusvoimien kanssa — sähkömagnetismi, vahva voima ja heikko voima.

Todellinen taika: Kvanttilomittuminen

Tässä kohtaa asiat alkavat olla todella mielenkiintoisia. Tutkijat panivat kubitit niin sanottuun lomittuneeseen tilaan. Jos olet kuullut kvanttilomittumisesta aiemmin, tiedät luultavasti, että kyse on siitä "yhteenkytketyistä" ilmiöstä, jonka Einstein kutsui kuuluisasti "hirvittäväksi etäisvaikutukseksi".

Tässä tapauksessa lomittuminen toimi korvikkeena magneettiselle vuolle, joka kulki simuloitu silmukka läpi. Hiukkanen sai vaikutteita jostakin, jota se ei voinut nähdä tai koskettaa — yksinkertaisesti siksi, miten kvanttijärjestelmä oli kytketty.

Miksi sinun pitäisi välittää?

Hyvä kysymys! Asia menee näin: näiden perustavanlaatuisten kvanttivuorovaikutusten simulointi tavallisilla tietokoneilla on vaikeaa. Suorastaan absurdin vaikeaa. Matematiikka monimutkaistuu niin pahasti, että jopa supertietokoneet alkavat hikoilla.

Mutta kvanttitietokoneet tarjoavat erilaisen lähestymistavan. Sen sijaan, että yritettäisiin laskea kaikkea askel askeleelta, tutkijat voivat rakentaa kvanttijärjestelmän, joka noudattaa samoja sääntöjä, ja vain — katsoa mitä tapahtuu. Se on kuin sen sijaan, että ratkaisisit labyrintin paperilla, rakentaisit labyrintin oikeasti ja laittaisit sisään pienen robotin tutkimaan sitä.

Tämä tutkimus osoittaa, että Oxfordin kaltainen hybridinen kvanttijärjestelmä voisi auttaa meitä tutkimaan vuorovaikutuksia, jotka käyvät yhä vaikeammiksi tutkia muilla tavoilla. Se on tärkeää, koska näiden perusvuorovaikutusten ymmärtäminen voisi lopulta auttaa meitä rakentamaan parempia kvanttitietokoneita, ymmärtämään universumin peruspalikoita — tai ehkä, ehkä — keksimään jotain täysin uutta fysiikkaa, jota emme ole vielä kuvitelleetkaan.

Kaiken ydin

En väitä, että tämä olisi helppo ymmärtää. Olen lukenut kvanttifyysiikasta vuosia, ja se sattuu edelleen aivoihin parhaalla mahdollisella tavalla.

Mutta se, mikä minua jännittää: elämme aikaa, jolloin kymmeniä vuosia sitten pölyisissä fysiikan papereissa tehdyt ennusteet testataan vihdoin oikeissa laboratorioissa. Kun Einstein unelmoi "hirveistä" ideoistaan, hän ei koskaan kuvitellut, että rakentaisimme koneita niiden tutkimiseen.

Kun seuraavan kerran joku sanoo, että fysiikka on tylsää tai irrelevanttia, muista tämä: jossain päin maailmaa hiukkaset työnnetään näkymättömien voimien ympärillä, joita ne eivät koskaan koskettaneet. Ja rehellisesti? Se on aika siistiä.