La kvantum szuperpozíció Ez egy olyan fogalom, amelyről egyre többet hallani. A természetnek ezt a tulajdonságát a kvantumszámítógépek, a kvantumteleportáció és a kvantuminternet magvaiban használják. Sokan azonban nem ismerik jól a kvantum-szuperpozíciót, és ez kínaiul hangzik számukra.
Ebben a cikkben elmondjuk, mi a kvantum-szuperpozíció, jellemzői és fontossága.
Mi a kvantum-szuperpozíció
A kvantum-szuperpozíció a kvantummechanika alapelve, amely egy fizikai rendszer, például egy elektron egyidejű létezését fejezi ki annak minden lehetséges elméleti állapotában. Amikor megfigyelik, csak "összeomolhat" e konfigurációk egyikébe. Ez a „lefagyás” véletlenszerű, de a valószínűség törvényein alapul.
A kvantum-szuperpozíció megértésének egyik módja, legalábbis leegyszerűsítve, ha azt gondoljuk, hogy egy részecske lehet egyszerre két gerjesztett állapotban, de ha egyszer megfigyeljük, csak az egyiket fedi fel. Így a szuperpozíciót széles körben használják a kvantumszámítástechnikában. A "qubit" vagy qubit egyaránt felveheti a 0 és az 1 értéket; a bittel ellentétben a bitnek 0-nak vagy 1-nek kell lennie.
Ez a kvantum-szuperpozíciós állapot Louis de Broglie francia herceg elméleti javaslatának eredménye, aki 1924-ben azt javasolta, hogy az elektronok nem részecskék, hanem hullámok. Vagyis az elektronok nem klasszikus kölcsönhatásokkal (például biliárdgolyók ütközéseivel) rendelkező anyag "golyói", hanem hullámok, amelyek az űrben haladnak. Ez valódi.
Elektronok kvantum-szuperpozíciója
Ha az elektronokat "golyóknak" képzeljük el, az egyik plusz a másik összege hamis képet ad arról, hogyan viselkedik az anyag, mert úgy képzeljük el őket, mint golyókat. Némelyik fent van, van, amelyik lent, és van, amelyik oldalt. Az anyag azonban nem így működik kvantum szinten, csak makroszkopikus szinten. Ez a miénk.
A kvantum-szuperpozíció jelensége könnyebben megérthető azóta az a nézet, hogy az anyag hullámként viselkedik. Az anyaggal ellentétben a hullámok átfedhetik egymást. Kvantum szinten az anyag úgy viselkedik, mint a hullámok, és valami érdekes történik: az anyag "hozzáadhat" egymáshoz.
Érdekes analógia figyelhető meg a természetben. A következő képen a vízcseppek által a víz felszínén hagyott hullámok láthatók. Ez egy kör alakú hullám, amely egy felület mentén terjed. Aki dobott valaha követ tóba, az tudja ezt. Elvileg minden hullám független.
Hullámszuperpozíció azonban akkor következik be, amikor két hullám egybeesik. Vagyis adjuk össze vagy vonjuk ki a nagyságukat. Amikor a két gerinc találkozik, a víz nagyon magasra emelkedik. Ahol két völgy van, mélyedéseket látunk. Ha a csúcsok egybeesnek a völgyekkel, a hullámok összege törlést eredményez.
Hullámok és kvantum-szuperpozíció
Ha az elektronok hullámok, amelyek a térben mozognak, akkor hullámaik hasonló dolgokat tudnak tenni, mint a vízben. A jelenség sokkal bonyolultabb, de itt van egy mód az egyszerűsítésre. De sokakat aggaszt a kérdés: hol vannak az elektronok?
A kvantummechanika törvényei szerint kvantum-szuperpozíció történhet, amíg a részecskéket meg nem figyeljük. Ekkor a hullámfüggvény (az, amely leírja annak valószínűségét, hogy egy részecskének van ilyen vagy olyan állapota, és így ábrázoljuk a részecskerendszereket) összeomlik, vagy specifikusabb hullámfüggvényként határozzuk meg.
Bár nem teljesen helytálló, a következő analógia használható. Egy hélium léggömb lebeg egy sötét szobában. Első, nem lehet pontosan tudni, hol van a ballon, mert nagyon bonyolult légáramlások mozgatják a ballont egyik oldalról a másikra. Meg lehet határozni annak valószínűségét, hogy a ballon egy vagy másik helyen található. Ez a hullámfüggvénye.
Honnan tudod, hogy most hol van? Hogyan lehet a hullámfüggvényt "összeomlani"? Egy kísérlet, amit meg lehet tenni, az a darts dobása. Ha a dart oda megy, ahol a léggömb nincs, nem hallunk hangot. Ha azonban a dart átmegy a léggömbön, robbanást hallunk. A következtetés a következő: a léggömb meghatározza a helyzetét, függetlenül attól, hogy a dart eltalálja-e vagy sem. Vagyis fizikai értelemben "összeomlik", és felfedi, hogy hol van.
Noha nem tökéletes analógia, a ballonos példa segít megérteni, hogyan oszlanak el az elektronok a tér egy bizonyos régiójában egyidejűleg, és hogyan lehet csak ránézésre megmondani, hogy mi az.
Hasznosság ma
Ha ez a tulajdonság annyira érdekes, az azért van, mert felhasználható kvantumszámítógépek készítésére. 2016-ban egy kutatócsoport kihasználta az anyag kvantumtulajdonságait, beleértve a szuperpozíciós állapotokat is, hogy lehetővé tegyék az információ nagy távolságú továbbítását.
En 2017, egy másik csapat sikeresen teleportált egy kvantumállapotot két összekapcsolt csomópont között. 2022-ben egy kutatócsoportnak sikerült kvantumállapotot teleportálnia két szétkapcsolt csomópont között annak köszönhetően, hogy Alice, Bob és Charlie csomópontjait egyenként kötötték össze. Ezekkel a kísérletekkel megbízhatóbb internetet lehet építeni
Jelenleg a tudósok azt kutatják, hogyan lehetne kihasználni ezt a tulajdonságot olyan problémák megoldására, amelyeket a klasszikus számítógépekkel nagyon nehéz vagy akár lehetetlen lenne megoldani. A kvantumszámítógépben a klasszikus biteket (0 vagy 1) qubitekre cserélik, amelyek átfedésben lehetnek, ami azt jelenti, hogy 0-t és 1-et jelenthetnek egyszerre. Ez lehetővé teszi a kvantumszámítógép számára, hogy egyszerre több megoldást is feltárjon, ami óriási lehetőségeket rejt magában az olyan területeken, mint a kriptográfia, az anyagszimuláció és az optimalizálás, összetett problémák megoldására.
Egy másik érdekes alkalmazás a biztonságos kvantumkommunikáció. A kvantum-szuperpozíció tulajdonsága miatt azonnal észlelhető minden olyan kísérlet, amely a továbbított információ megzavarására irányul, ami gyakorlatilag áthatolhatatlan kommunikációs rendszerekhez vezethet, és biztosíthatja az információk titkosságát.
Remélem, hogy ezekkel az információkkal többet megtudhat a kvantum-szuperpozícióról, annak jellemzőiről és hasznosságáról.