La kvantinė superpozicija Tai koncepcija, kuri girdima vis dažniau. Ši gamtos savybė naudojama kvantinių kompiuterių, kvantinės teleportacijos ir kvantinio interneto sėklose. Tačiau yra daug žmonių, kurie mažai išmano apie kvantinę superpoziciją ir jiems tai skamba kiniškai.
Šiame straipsnyje mes jums pasakysime, kas yra kvantinė superpozicija, jos ypatybės ir svarba.
Kas yra kvantinė superpozicija
Kvantinė superpozicija yra pagrindinis kvantinės mechanikos principas jis išreiškia fizinės sistemos, tokios kaip elektronas, egzistavimą vienu metu visose įmanomose teorinėse būsenose. Pastebėjus, jis gali „sugriūti“ į vieną iš šių konfigūracijų. Šis „užšalimas“ yra atsitiktinis, bet pagrįstas tikimybės dėsniais.
Vienas iš būdų suprasti kvantinę superpoziciją, bent jau supaprastintu būdu, yra manyti, kad dalelė vienu metu gali būti dviejose sužadintose būsenose, tačiau pastebėjus ji atskleidžia tik vieną iš jų. Taigi superpozicija plačiai naudojama kvantinėje kompiuterijoje. „Kubitas“ arba kubitas gali turėti ir 0, ir 1 reikšmes; skirtingai nei bitas, bitas turi būti 0 arba 1.
Ši kvantinės superpozicijos būsena yra prancūzų kunigaikščio Louiso de Broglie teorinio pasiūlymo rezultatas, kuris 1924 m. pasiūlė, kad elektronai yra ne dalelės, o bangos. Tai yra, elektronai yra ne materijos „rutuliukai“ su klasikine sąveika (pavyzdžiui, susidūrimai tarp biliardo kamuoliukų), o bangos, sklindančios per erdvę. Tai yra tikra.
Kvantinė elektronų superpozicija
Jei įsivaizduojame elektronus kaip „rutuliukus“, vieno ir kito suma suteikia klaidingą supratimą apie tai, kaip elgiasi materija, nes įsivaizduojame juos sukrautus kaip rutulius. Kai kurie yra aukščiau, kiti yra žemiau, o kai kurie yra į šonus. Tačiau materija kvantiniame lygmenyje taip neveikia, o tik makroskopiniame lygmenyje. Tai mūsų.
Kvantinės superpozicijos reiškinį lengviau suprasti požiūris, kad materija elgiasi kaip bangos. Skirtingai nuo materijos, bangos gali sutapti. Kvantiniame lygmenyje materija elgiasi kaip bangos, ir atsitinka kažkas įdomaus: materija gali „prisidėti“ viena prie kitos.
Įdomią analogiją galima pastebėti gamtoje. Toliau pateiktame paveikslėlyje matyti vandens paviršiuje esančių vandens lašelių palikti raibuliukai. Tai apskrita banga, sklindanti paviršiumi. Kiekvienas, kuris kada nors yra įmetęs akmenį į ežerą, tai žinos. Iš esmės kiekviena banga yra nepriklausoma.
Tačiau bangų superpozicija atsiranda kiekvieną kartą, kai sutampa dvi bangos. Tai yra, pridėkite arba atimkite jų dydžius. Kai susitinka dvi keteros, vanduo pakyla labai aukštai. Ten, kur du slėniai, matome įdubas. Jei viršūnės sutampa su slėniais, bangų suma bus panaikinta.
Bangos ir kvantinė superpozicija
Jei elektronai yra erdvėje judančios bangos, jų bangos gali daryti panašius dalykus, kaip ir vandenyje. Šis reiškinys yra daug sudėtingesnis, bet čia yra būdas jį supaprastinti. Tačiau daugeliui rūpi klausimas: kur yra elektronai?
Pagal kvantinės mechanikos dėsnius, kvantinė superpozicija gali vykti tol, kol bus pastebėtos dalelės. Tada banginė funkcija (ta, kuri nusako tikimybę, kad dalelė turi vienokią ar kitokią būseną, taip mes reprezentuojame dalelių sistemas) žlunga arba apibrėžiama kaip konkretesnė bangos funkcija.
Nors tai nėra visiškai teisinga, galima naudoti šią analogiją. Tamsioje patalpoje plūduriuoja helio balionas. Pirmas, neįmanoma tiksliai žinoti, kur yra balionas, nes yra labai sudėtingi oro srautai, perkeliantys balioną iš vienos pusės į kitą. Galima nustatyti tikimybę, kad balionas atsidurs vienoje ar kitoje vietoje. Tai yra jo bangos funkcija.
Kaip tu žinai, kur jis dabar yra? Kaip priversti bangos funkciją „žlugti“? Galimas eksperimentas – mesti smiginį. Jei smiginis nukrenta ten, kur baliono nėra, negirdime jokio garso. Tačiau, jei smiginys prasiskverbia pro balioną, išgirstame sprogimą. Išvada tokia: balionas nustatys savo padėtį nepriklausomai nuo to, ar smiginis į jį pataikys, ar ne. Tai yra, jis „sugrius“ fizine prasme ir atskleis, kur yra.
Nors ir nėra tobula analogija, baliono pavyzdys padeda suprasti, kaip elektronai gali pasiskirstyti tam tikroje erdvės srityje tuo pačiu metu ir kaip tik pažvelgę į jį galite suprasti, kas tai yra.
Naudingumas šiandien
Jei ši savybė tokia įdomi, tai todėl, kad ją būtų galima panaudoti kvantiniams kompiuteriams kurti. 2016 m. mokslininkų komanda pasinaudojo medžiagos kvantinėmis savybėmis, įskaitant superpozicijos būsenas, kad būtų galima perduoti informaciją dideliais atstumais.
En 2017, kita komanda sėkmingai teleportavo kvantinę būseną tarp dviejų sujungtų mazgų. 2022 m. tyrėjų grupei pavyko teleportuoti kvantinę būseną tarp dviejų atjungtų mazgų dėl to, kad Alice, Bob ir Charlie mazgai buvo sujungti po vieną. Šiais eksperimentais galima sukurti patikimesnį internetą
Šiuo metu mokslininkai tiria būdus, kaip pasinaudoti šia savybe sprendžiant problemas, kurias būtų labai sunku ar net neįmanoma išspręsti naudojant klasikinius kompiuterius. Kvantiniame kompiuteryje klasikiniai bitai (0 arba 1) pakeičiami kubitais, kurie jie gali sutapti, o tai reiškia, kad jie gali reikšti 0 ir 1 vienu metu. Tai leidžia kvantiniam kompiuteriui vienu metu tyrinėti kelis sprendimus, todėl atsiranda didžiulis potencialas spręsti sudėtingas problemas tokiose srityse kaip kriptografija, medžiagų modeliavimas ir optimizavimas.
Kita intriguojanti programa yra saugus kvantinis ryšys. Dėl kvantinės superpozicijos savybės iš karto aptinkamas bet koks bandymas įsiterpti į perduodamą informaciją, o tai gali lemti praktiškai neįveikiamas ryšio sistemas ir užtikrinti informacijos privatumą.
Tikiuosi, kad naudodamiesi šia informacija galėsite daugiau sužinoti apie kvantinę superpoziciją, jos ypatybes ir naudingumą.