La kvantti superpositio Se on käsite, jota kuullaan yhä enemmän. Tätä luonnon ominaisuutta käytetään kvanttitietokoneiden, kvanttiteleportaation ja kvantti-internetin siemenissä. On kuitenkin monia ihmisiä, jotka eivät tiedä kvantti-superpositiosta hyvin, ja se kuulostaa heistä kiinalaiselta.
Tässä artikkelissa kerromme sinulle, mitä kvantti superpositio on, sen ominaisuudet ja merkitys.
Mikä on kvantti superpositio
Kvanttisuperpositio on kvanttimekaniikan perusperiaate se ilmaisee fyysisen järjestelmän, kuten elektronin, samanaikaisen olemassaolon kaikissa mahdollisissa teoreettisissa tiloissaan. Kun se havaitaan, se voi vain "kutistua" yhteen näistä kokoonpanoista. Tämä "jäätyminen" on satunnainen, mutta perustuu todennäköisyyslakeihin.
Yksi tapa ymmärtää kvanttisuperpositiota, ainakin yksinkertaistetusti, on ajatella, että hiukkanen voi olla kahdessa virittyneessä tilassa samanaikaisesti, mutta havaittuna se paljastaa vain yhden niistä. Superpositiota käytetään siis laajasti kvanttilaskennassa. "Qubit" tai qubit voi ottaa sekä arvot 0 että 1; toisin kuin bitti, bitin on oltava joko 0 tai 1.
Tämä kvanttisuperpositiotila on tulosta ranskalaisen herttua Louis de Broglien teoreettisesta ehdotuksesta, joka ehdotti vuonna 1924, että elektronit eivät ole hiukkasia vaan aaltoja. Toisin sanoen elektronit eivät ole aineen "palloja", joilla on klassinen vuorovaikutus (kuten biljardipallojen väliset törmäykset), vaan aaltoja, jotka kulkevat avaruuden halki. Tämä on todellista.
Elektronien kvantti superpositio
Jos kuvittelemme elektronit "palloiksi", yhden plus toisen summa antaa meille väärän käsityksen siitä, kuinka aine käyttäytyy, koska kuvittelemme ne pinottuina palloina. Jotkut ovat yläpuolella, jotkut ovat alla ja jotkut ovat sivuilla. Aine ei kuitenkaan toimi sillä tavalla kvanttitasolla, vain makroskooppisella tasolla. Se on meidän.
Kvanttisuperpositio-ilmiö on tästä lähtien helpompi ymmärtää näkemys siitä, että aine käyttäytyy kuin aallot. Toisin kuin aine, aallot voivat mennä päällekkäin. Kvanttitasolla aine käyttäytyy kuin aallot, ja jotain mielenkiintoista tapahtuu: aine voi "lisätä" toisiaan.
Luonnossa voidaan havaita mielenkiintoinen analogia. Seuraavassa kuvassa näkyy vesipisaroiden jättämät väreet veden pinnalle. Se on pyöreä aalto, joka etenee pitkin pintaa. Jokainen, joka on koskaan heittänyt kiven järveen, tietää tämän. Periaatteessa jokainen aalto on itsenäinen.
Aaltojen superpositio tapahtuu kuitenkin aina, kun kaksi aaltoa kohtaavat. Eli lisää tai vähennä niiden suuruus. Kun kaksi harjua kohtaavat, vesi nousee erittäin korkealle. Siellä missä on kaksi laaksoa, näemme painaumia. Jos huiput osuvat yhteen laaksojen kanssa, aaltojen summa johtaa peruuttamiseen.
Aallot ja kvantti superpositio
Jos elektronit ovat aaltoja, jotka liikkuvat avaruuden halki, niiden aallot voivat tehdä asioita, jotka ovat samanlaisia kuin vedessä. Ilmiö on paljon monimutkaisempi, mutta tässä on tapa yksinkertaistaa sitä. Mutta monia huolestuttava kysymys on: missä ovat elektronit?
Kvanttimekaniikan lakien mukaan kvantti superpositio voi tapahtua, kunnes hiukkaset havaitaan. Sitten aaltofunktio (se, joka kuvaa todennäköisyyttä, että hiukkasella on jokin tila, eli näin edustamme hiukkasjärjestelmiä) romahtaa tai määritellään tarkemmaksi aaltofunktioksi.
Vaikka se ei ole täysin oikea, voidaan käyttää seuraavaa analogiaa. Heliumpallo kelluu pimeässä huoneessa. Ensimmäinen, on mahdotonta tietää tarkalleen missä ilmapallo on, koska siellä on hyvin monimutkaisia ilmavirtoja, jotka siirtävät ilmapallon puolelta toiselle. On mahdollista määrittää todennäköisyys, että ilmapallo sijaitsee jossakin paikassa. Tämä on sen aaltofunktio.
Mistä tiedät missä se on nyt? Kuinka saada aaltofunktio "romahtamaan"? Kokeilu, joka voidaan tehdä, on heittää tikkaa. Jos tikka menee sinne, missä ilmapallo ei ole, emme kuule ääntä. Jos tikka kuitenkin menee ilmapallon läpi, kuulemme räjähdyksen. Johtopäätös on: ilmapallo määrittää sijaintinsa riippumatta siitä, osuiko tikka siihen vai ei. Toisin sanoen se "romahtaa" fyysisessä mielessä ja paljastaa missä se on.
Vaikka palloesimerkki ei ole täydellinen analogia, se auttaa ymmärtämään, kuinka elektronit voivat jakaantua tietyllä avaruuden alueella samanaikaisesti ja kuinka vain sitä katsomalla voit kertoa, mikä se on.
Hyödyllisyys tänään
Jos tämä ominaisuus on niin mielenkiintoinen, se johtuu siitä, että sitä voitaisiin käyttää kvanttitietokoneiden rakentamiseen. Vuonna 2016 tutkijaryhmä käytti hyväkseen aineen kvanttiominaisuuksia, mukaan lukien superpositiotilat, mahdollistaakseen tiedon pitkän matkan välittämisen.
En 2017, toinen tiimi teleportoi onnistuneesti kvanttitilan kahden yhdistetyn solmun välillä. Vuonna 2022 ryhmä tutkijoita onnistui teleportoimaan kvanttitilan kahden irrotetun solmun välillä, koska Alicen, Bobin ja Charlien solmut yhdistettiin yksitellen. Näiden kokeiden avulla on mahdollista rakentaa luotettavampi Internet
Tällä hetkellä tutkijat tutkivat tapoja hyödyntää tätä ominaisuutta sellaisten ongelmien ratkaisemiseksi, joita olisi erittäin vaikea tai jopa mahdoton ratkaista klassisilla tietokoneilla. Kvanttitietokoneessa klassiset bitit (0 tai 1) korvataan kubiteilla, jotka ne voivat olla päällekkäin, mikä tarkoittaa, että ne voivat edustaa 0:ta ja 1:tä samanaikaisesti. Tämän ansiosta kvanttitietokone voi tutkia useita ratkaisuja samanaikaisesti, mikä tarjoaa valtavat mahdollisuudet ratkaista monimutkaisia ongelmia sellaisilla aloilla kuin kryptografia, materiaalisimulaatio ja optimointi.
Toinen kiehtova sovellus on turvallinen kvanttiviestintä. Kvanttisuperposition ominaisuuden ansiosta kaikki yritykset häiritä lähetettyä tietoa havaitaan välittömästi, mikä voi johtaa käytännössä läpäisemättömiin viestintäjärjestelmiin ja varmistaa tiedon yksityisyyden.
Toivon, että näiden tietojen avulla voit oppia lisää kvantti superpositiosta, sen ominaisuuksista ja hyödyllisyydestä.