Hələ 1920-ci illərdə atomların davranışından tutmuş kvant kompüterlərinin işinə qədər hər şeyin əsasını təşkil edən nəzəriyyə olan kvant mexanikası geniş miqyasda qəbul olunmağa doğru gedirdi. Ancaq bir sirr qalırdı: bəzən elektronlar, atomlar və molekullar kimi kvant obyektləri özlərini hissəciklər, digərləri dalğalar kimi aparırlar. Bəzən hətta eyni anda hissəciklər və dalğalar kimi davranırlar. Buna görə də, bu kvant obyektlərini tədqiq edərkən, alimlərin hesablamalarında hansı yanaşmadan istifadə etmələri heç vaxt aydın deyildi.
Bəzən elm adamları düzgün nəticə əldə etmək üçün kvant obyektlərinin dalğa olduğunu güman etməli olurdular. Digər hallarda, cisimlərin əslində hissəciklər olduğunu güman etməli idilər. Bəzən hər iki yanaşma işə yarayırdı. Ancaq digər hallarda yalnız bir yanaşma düzgün nəticə verdi, digəri isə saxta nəticə verdi. Bu problemin tarixi çox uzaqlara gedib çıxır, lakin son təcrübələr bu köhnə suala yeni işıq salıb.
Kvant tarixi
İlk dəfə 1801-ci ildə Thomas Young tərəfindən aparılan eyni adlı ikiqat yarıq təcrübəsində işıq dalğalar kimi davranırdı. Bu təcrübədə lazer şüası ikiqat yarığa yönəldilir və sonra yaranan nümunəyə baxılır. Əgər işıq hissəciklərdən ibarət olsaydı, iki yarıq formalı işıq bloku gözləmək olardı. Bunun əvəzinə, nəticə xarakterik bir naxışda düzülmüş çoxlu kiçik işıq bloklarıdır. Su axınında ikiqat yarığın yerləşdirilməsi eyni nümunə ilə nəticələnəcək. Beləliklə, bu təcrübə işığın dalğa olduğu qənaətinə gəldi.
Sonra 1881-ci ildə Heinrich Hertz gülməli bir kəşf etdi. O, iki elektrod götürüb onların arasında kifayət qədər yüksək gərginlik tətbiq edəndə qığılcımlar yarandı. Bu normaldır. Lakin Hertz bu elektrodlara işıq saçdıqda, qığılcım gərginliyi dəyişdi. Bu, işığın elektrod materialından elektronları vurması ilə izah edildi. Ancaq qəribədir ki, işığın intensivliyi dəyişdikdə, atılan elektronların maksimal sürəti dəyişmədi, əksinə işığın tezliyi ilə dəyişdi. Dalğa nəzəriyyəsi doğru olsaydı, bu nəticə qeyri-mümkün olardı. 1905-ci ildə Albert Eynşteynin bir həlli var idi: işıq əslində bir hissəcik idi. Bütün bunlar qeyri-qənaətbəxş idi. Elm adamları bəzən doğru olan iki nəzəriyyəyə həmişə doğru olan bir nəzəriyyəyə üstünlük verirlər. Və əgər bir nəzəriyyə yalnız bəzən doğrudursa, o zaman biz heç olmasa onun hansı şəraitdə doğru olduğunu söyləmək istərdik.
Ancaq bu kəşflə bağlı problem məhz bu idi. Fiziklər işığı və ya hər hansı digər cismi nə vaxt dalğa, nə vaxt isə hissəcik hesab edəcəklərini bilmirdilər. Onlar bilirdilər ki, bəzi şeylər yarıqların kənarları kimi dalğaya bənzər davranışlara səbəb olur. Ancaq bunun niyə belə olduğu və ya hər hansı bir nəzəriyyədən nə vaxt istifadə ediləcəyi ilə bağlı heç bir aydın izahat yox idi.
Bu tapmaca deyilir korpuskulyar dalğa dualizmi, hələ də qorunub saxlanılır. Ancaq yeni bir araşdırma vəziyyətə bir qədər işıq sala bilər. Koreya Əsas Elmlər İnstitutunun alimləri sübut ediblər ki, işıq mənbəyinin xüsusiyyətləri onun nə qədər hissəcik və nə qədər dalğa olmasına təsir edir. Bu problemi öyrənmək üçün yeni bir yanaşma ilə onlar hətta kvant hesablamalarında təkmilləşdirmələrə gətirib çıxara biləcək bir yol açdılar. Ya da belə ümidlər.
Həmçinin maraqlıdır: Google-un kvant prosessorları nəzəriyyədən kənar zaman kristallarını alır
Hissəcikləri və dalğaları necə etmək olar
Təcrübədə alimlər lazer şüasını iki hissəyə bölmək üçün yarı əks etdirən güzgüdən istifadə ediblər. Bu şüaların hər biri kristala dəyir ki, bu da öz növbəsində iki foton əmələ gətirir. Hər bir kristaldan ikisi olmaqla cəmi dörd foton buraxılır.
Alimlər hər bir kristaldan bir fotonu interferometrə göndərdilər. Bu cihaz iki işıq mənbəyini birləşdirir və müdaxilə nümunəsi yaradır. Bu nümunəni ilk dəfə yuxarıda qeyd etdiyimiz iki yarıq təcrübəsində Thomas Young kəşf etmişdir. Həm də gölməçəyə iki daş atdığınız zaman gördüyünüz budur: bəziləri bir-birini gücləndirən, digərləri isə bir-birini zərərsizləşdirən su dalğaları. Başqa sözlə, interferometr işığın dalğa təbiətini aşkar edir.
Digər iki fotonun yollarından onların korpuskulyar xüsusiyyətlərini təyin etmək üçün istifadə edilmişdir. Məqalə müəllifləri bunu necə etdiklərini dəqiqləşdirməsələr də, bu, adətən, fotonun hara getdiyini göstərən materialdan fotonun keçirilməsi ilə həyata keçirilir. Məsələn, bir qaz vasitəsilə bir fotonu çəkə bilərsiniz, bu da fotonun keçdiyi yerdə alovlanacaq. Son təyinat yerinə deyil, trayektoriyaya diqqət yetirməklə, foton dalğa ola bilər. Bunun səbəbi, əgər fotonun hər anında dəqiq yerini ölçsəniz, o, nöqtəyə bənzəyir və özünü vura bilməz.
Bu, kvant fizikasında ölçmənin sözügedən ölçmənin nəticələrinə aktiv şəkildə təsir etdiyi bir çox nümunədən biridir. Buna görə də, təcrübənin bu hissəsində foton trayektoriyasının sonunda müdaxilə nümunəsi yox idi. Beləliklə, tədqiqatçılar fotonun necə bir hissəcik ola biləcəyini öyrəndilər. İndi problem bunun nə qədər hissəcik olduğunu və nə qədərinin dalğa xarakterindən qaldığını ölçmək idi.
Eyni kristalın hər iki fotonu birlikdə istehsal olunduğundan, onlar vahid kvant vəziyyəti yaradırlar. Bu o deməkdir ki, bu fotonların hər ikisini eyni vaxtda təsvir edən riyazi düstur tapmaq mümkündür. Nəticə olaraq, tədqiqatçılar iki fotonun “qismənliyi” və “dalğa uzunluğunun” nə qədər güclü olduğunu kəmiyyətcə qiymətləndirə bilsələr, bu kəmiyyəti kristala çatan bütün şüaya tətbiq etmək olar.
Həqiqətən, tədqiqatçılar uğur qazandılar. Onlar müdaxilə nümunəsinin görünməsini yoxlayaraq fotonun nə qədər dalğalı olduğunu ölçdülər. Görünüş yüksək olduqda, foton çox dalğaya bənzəyirdi. Nümunə demək olar ki, görünməyəndə, fotonun bir hissəcik kimi olması lazım olduğu qənaətinə gəldilər.
Və bu görünmə təsadüfi idi. Hər iki kristal lazer şüasının eyni intensivliyini aldıqda bu, ən yüksək idi. Bununla belə, əgər bir kristaldan gələn şüa digərindən qat-qat güclü idisə, nümunənin görünməsi çox zəiflədi və fotonların hissəciklərə bənzəmə ehtimalı daha yüksək idi.
Bu nəticə təəccüblüdür, çünki əksər təcrübələrdə işıq yalnız dalğalar və ya hissəciklər şəklində ölçülür. Bu gün bir neçə təcrübədə hər iki parametr eyni vaxtda ölçüldü. Bu o deməkdir ki, işıq mənbəyinin hər bir xüsusiyyətinin nə qədər olduğunu müəyyən etmək asandır.
Həmçinin maraqlıdır: QuTech kvant interneti üçün brauzeri işə salır
Nəzəri fiziklər sevinirlər
Bu nəticə nəzəriyyəçilərin əvvəllər söylədikləri proqnoza uyğundur. Onların nəzəriyyəsinə görə, kvant obyektinin nə qədər dalğavari və korpuskulyar olması mənbənin saflığından asılıdır. Bu kontekstdə saflıq müəyyən bir kristal mənbənin işığı yayan olması ehtimalını ifadə etmək üçün sadə bir üsuldur. Formula aşağıdakı kimidir: V2 + P2 = µ2, burada V istiqamətli nümunənin görünməsi, P yolun görünməsi və µ mənbənin təmizliyidir.
Bu o deməkdir ki, işıq kimi kvant obyekti müəyyən dərəcədə dalğa, müəyyən dərəcədə hissəcik kimi ola bilər, lakin bu, mənbənin saflığı ilə məhdudlaşır. Kvant obyekti bir müdaxilə nümunəsi görünürsə və ya V-nin dəyəri sıfıra bərabər deyilsə dalğaya bənzəyir. Həmçinin, əgər yol müşahidə oluna bilərsə və ya P sıfırdan fərqlidirsə, o, hissəcik kimidir.
Bu proqnozun digər nəticəsi odur ki, təmizlik kvant yolunun dolaşıqlığı yüksəkdirsə, saflığın aşağı olmasıdır və əksinə. Təcrübəni aparan alimlər bunu öz işlərində riyazi olaraq göstəriblər. Kristalların saflığını tənzimləmək və nəticələri ölçməklə, bu nəzəri proqnozların həqiqətən də doğru olduğunu göstərə bildilər.
Həmçinin maraqlıdır: NASA məlumatların "dağlarını" emal etmək və saxlamaq üçün kvant kompüterlərini işə salacaq
Daha sürətli kvant kompüterləri?
Kvant obyektinin dolaşıqlığı ilə onun korpuskulyarlığı və dalğalılığı arasında əlaqə xüsusilə maraqlıdır. Kvant internetini gücləndirə bilən kvant cihazları dolaşıqlığa əsaslanır. Kvant İnterneti klassik kompüterlər üçün İnternetin nə olduğunun kvant analogiyasıdır. Bir çox kvant kompüterlərini birləşdirərək və onların məlumat paylaşmasına icazə verərək, alimlər tək bir kvant kompüteri ilə əldə edilə biləcəyindən daha çox güc əldə etməyə ümid edirlər.
Ancaq klassik interneti gücləndirmək üçün etdiyimiz bitləri optik lifə göndərmək əvəzinə, kvant internetini yaratmaq üçün kubitləri qarışdırmalıyıq. Bir hissəciyin dolaşıqlığını və fotonun dalğalılığını ölçə bilmək o deməkdir ki, biz kvant internetinin keyfiyyətinə nəzarət etmək üçün daha sadə yollar tapa bilərik.
Bundan əlavə, kvant kompüterləri hissəcik-dalğa dualizmindən istifadə etməklə daha yaxşı ola bilər. Çinin Tsinxua Universitetinin tədqiqatçılarının təklifinə əsasən, kiçik kvant kompüterinin gücünü artırmaq üçün çox yarıqlı şəbəkə vasitəsilə idarə etmək mümkündür. Kiçik bir kvant kompüteri özləri kubit kimi istifadə olunan bir neçə atomdan ibarət olardı və belə qurğular artıq mövcuddur.
Bu atomları çox yarıqlı qəfəsdən keçirmək işığın ikiqat yarıqdan keçməsinə çox bənzəyir, əlbəttə ki, bir az daha mürəkkəb olsa da. Bu, daha çox mümkün kvant vəziyyətləri yaradacaq ki, bu da öz növbəsində “atəşlənmiş” kompüterin gücünü artıracaq. Bunun arxasında duran riyaziyyat bu yazıda izah etmək üçün çox mürəkkəbdir, lakin mühüm nəticə ondan ibarətdir ki, belə iki kvant kompüteri adi kvant kompüterlərindən daha yaxşı paralel hesablamalar apara bilər. Paralel hesablama klassik hesablamada da geniş yayılmışdır və əsasən kompüterin eyni vaxtda birdən çox hesablama aparması və ümumilikdə onu daha sürətli etmək qabiliyyətinə aiddir.
Beləliklə, bu çox əsas tədqiqat olsa da, mümkün tətbiqlər artıq üfüqdədir. Hal-hazırda sübut etmək mümkün deyil, lakin bu kəşflər kvant kompüterlərini sürətləndirə və kvant internetinin meydana gəlməsini bir az da sürətləndirə bilər.
Həmçinin maraqlıdır: Çin Google-dan milyon dəfə güclü kvant kompüteri yaradıb
Çox fundamental, lakin çox maraqlıdır
Bütün bunlara böyük şübhə ilə yanaşmaq lazımdır. Tədqiqat möhkəmdir, lakin eyni zamanda çox əsasdır. Elm və texnologiyada adətən olduğu kimi, əsas tədqiqatlardan real dünya tətbiqlərinə qədər uzun bir yol var.
Lakin Koreyalı tədqiqatçılar çox maraqlı bir şeyi kəşf etdilər: hissəcik-dalğa dualizminin sirri tezliklə yox olmayacaq. Əksinə, bütün kvant obyektlərində o qədər dərin kök salmış kimi görünür ki, ondan istifadə etmək daha yaxşıdır. Mənbənin saflığı ilə bağlı yeni kəmiyyət əsası ilə bunu etmək daha asan olacaq.
İlk istifadə hallarından biri kvant hesablamasında baş verə bilər. Alimlərin göstərdiyi kimi, kvant dolaşıqlığı və hissəcik-dalğa dualizmi əlaqəlidir. Beləliklə, dolaşıqlıq əvəzinə dalğalılığın və korpuskulyarlığın miqdarını ölçmək olardı. Bu, kvant interneti yaratmaq üzərində çalışan alimlərə kömək edə bilər. Və ya istifadə edə bilərsiniz ikilik kvant kompüterlərini təkmilləşdirmək və onları daha sürətli etmək. İstənilən halda, maraqlı kvant vaxtları az qala yaxındadır.
Həmçinin oxuyun:
Məqalə üçün təşəkkür edirik! "Mümkün proqramlar artıq üfüqdədir" - yəqin ki, proqramlar deyil, tətbiqlər?
Təşəkkürlər, çox maraqlıdır. Daha çox belə məqalələr.
Çox sağ ol! Biz cəhd edəcəyik ;)