La kvantna superpozicija To je koncept koji se sve više čuje. Ovo svojstvo prirode koristi se u začecima kvantnih računala, kvantne teleportacije i kvantnog interneta. Međutim, ima mnogo ljudi koji ne znaju dobro o kvantnoj superpoziciji i to im zvuči kineski.
U ovom članku ćemo vam reći što je kvantna superpozicija, njene karakteristike i važnost.
Što je kvantna superpozicija
Kvantna superpozicija je temeljni princip kvantne mehanike koji ono izražava istovremeno postojanje fizičkog sustava, kao što je elektron, u svim njegovim mogućim teorijskim stanjima. Kada se promatra, može se samo "srušiti" u jednu od ovih konfiguracija. Ovo "zamrzavanje" je nasumično, ali se temelji na zakonima vjerojatnosti.
Jedan od načina za razumijevanje kvantne superpozicije, barem na pojednostavljen način, je razmišljanje da čestica može biti u dva pobuđena stanja u isto vrijeme, ali jednom promatrana otkriva samo jedno od njih. Stoga se superpozicija široko koristi u kvantnom računalstvu. "Qubit" ili qubit može imati i vrijednosti 0 i 1; za razliku od bita, bit mora biti 0 ili 1.
Ovo stanje kvantne superpozicije rezultat je teorijskog prijedloga francuskog vojvode Louisa de Brogliea, koji je 1924. predložio da elektroni nisu čestice nego valovi. Odnosno, elektroni nisu "lopte" materije s klasičnim međudjelovanjima (kao što su sudari biljarskih kugli), već valovi koji putuju svemirom. Ovo je stvarno.
Kvantna superpozicija elektrona
Ako zamislimo elektrone kao "lopte", zbroj jednog plus drugog daje nam lažnu ideju o tome kako se materija ponaša jer ih zamišljamo naslagane poput loptica. Neki su iznad, neki ispod, a neki sa strane. Međutim, materija ne funkcionira tako na kvantnoj razini, već samo na makroskopskoj razini. To je naše.
Fenomen kvantne superpozicije lakše je razumjeti jer stajalište da se materija ponaša poput valova. Za razliku od materije, valovi se mogu preklapati. Na kvantnoj razini materija se ponaša kao valovi i događa se nešto zanimljivo: materija se može "dodavati" jedna drugoj.
U prirodi se može uočiti zanimljiva analogija. Sljedeća slika prikazuje mreške koje ostavljaju kapljice vode na površini vode. To je kružni val koji se širi duž površine. To zna svatko tko je ikada bacio kamen u jezero. U principu, svaki je val neovisan.
Međutim, superpozicija vala događa se kad god se dva vala podudaraju. Odnosno, dodajte ili oduzmite njihove veličine. Kada se dva grebena spoje, voda se digne vrlo visoko. Gdje su dvije doline, vidimo depresije. Ako se vrhovi poklapaju s dolinama, zbroj valova će rezultirati poništenjem.
Valovi i kvantna superpozicija
Ako su elektroni valovi koji se kreću kroz prostor, njihovi valovi mogu činiti stvari slične onome što se pojavljuje u vodi. Fenomen je mnogo kompliciraniji, ali evo načina da ga pojednostavimo. Ali pitanje koje brine mnoge je: gdje su elektroni?
Prema zakonima kvantne mehanike, kvantna superpozicija može se dogoditi sve dok se čestice ne promatraju. Tada se valna funkcija (ona koja opisuje vjerojatnost da čestica ima jedno ili drugo stanje, čime predstavljamo sustave čestica) kolabira ili se definira kao specifičnija valna funkcija.
Iako nije sasvim točna, može se koristiti sljedeća analogija. Balon s helijem lebdi u mračnoj sobi. Prvi, nemoguće je točno znati gdje se balon nalazi jer postoje vrlo komplicirana strujanja zraka koja pomiču balon s jedne strane na drugu. Moguće je odrediti vjerojatnost da se balon nalazi na jednom ili drugom mjestu. Ovo je njegova valna funkcija.
Kako znaš gdje je sada? Kako učiniti da valna funkcija "kolabira"? Eksperiment koji se može napraviti je bacanje strelica. Ako strelica ode tamo gdje balon nije, ne čujemo nikakav zvuk. Međutim, ako strelica prođe kroz balon, čujemo eksploziju. Zaključak je: balon će odrediti svoju poziciju bez obzira pogodi li ga strelica ili ne. Odnosno, "kolabirat će" u fizičkom smislu i otkriti gdje se nalazi.
Iako nije savršena analogija, primjer balona pomaže razumjeti kako se elektroni mogu distribuirati u određenom području prostora u isto vrijeme i kako tek kada ga pogledate možete reći što je to.
Uslužni program danas
Ako je ovo svojstvo toliko zanimljivo, to je zato što bi se moglo koristiti za izgradnju kvantnih računala. Godine 2016. tim istraživača iskoristio je kvantna svojstva materije, uključujući superpozicijska stanja, kako bi omogućio prijenos informacija na velike udaljenosti.
U 2017 drugi tim je uspješno teleportirao kvantno stanje između dva povezana čvora. Godine 2022. grupa istraživača uspjela je teleportirati kvantno stanje između dva nepovezana čvora zahvaljujući činjenici da su čvorovi Alice, Bob i Charlie bili povezani jedan po jedan. Ovim eksperimentima moguće je izgraditi pouzdaniji internet
Trenutno znanstvenici istražuju načine kako iskoristiti ovo svojstvo za rješavanje problema s kojima bi se bilo vrlo teško ili čak nemoguće uhvatiti u koštac s klasičnim računalima. U kvantnom računalu, klasični bitovi (0 ili 1) zamijenjeni su kubitima, koji mogu biti u preklapanju, što znači da mogu predstavljati 0 i 1 u isto vrijeme. To omogućuje kvantnom računalu da istovremeno istražuje više rješenja, što rezultira golemim potencijalom za rješavanje složenih problema u područjima kao što su kriptografija, simulacija materijala i optimizacija.
Još jedna intrigantna primjena je sigurna kvantna komunikacija. Zbog svojstva kvantne superpozicije, svaki pokušaj ometanja poslane informacije odmah se detektira, što može dovesti do praktički neprobojnih komunikacijskih sustava i osigurati privatnost informacija.
Nadam se da s ovim informacijama možete naučiti više o kvantnoj superpoziciji, njezinim karakteristikama i korisnosti.