Dnes (14. dubna) Marks 2025 Světový kvantový den, mezinárodní oslava, která se konala na podporu veřejného porozumění kvantové vědě.
Datum, 4/14, bylo vybráno, protože 4.14 představuje první tři číslice Planckovy konstanty (4.135667696 x 10-15 Elektronové volty na Hertz, zaokrouhleno na 4,14 x 10-15) – důležité číslo v kvantové fyzice.
Kvantová fyzika je vědecká pobočka, která se zabývá nejmenšími částicemi ve vesmíru, jako jsou atomy, elektrony, Fotony (světelné částice) a další subatomické částice, jako jsou kvarky.
V každodenním světě, v měřítku, které vidíme, se věci řídí zákony klasické fyziky. Když však přiblížíte až k nejmenším částicím, klasická fyzika přestane také fungovat a pravidla Kvantová mechanika přijít do hry.
Některé z klíčových konceptů kvantové fyziky jsou, že částice jako elektrony se mohou chovat jako vlny a naopak (známé jako Dualita vlnových částí); Dvě částice lze spojit tak, že pokud měříte jednu, okamžitě něco o druhém víte (kvantové zapletení); a kvantová částice může být ve více stavech najednou, dokud není pozorována (kvantová superpozice).
Co je kvantová superpozice?
V každodenním životě může být něco najednou pouze v jednom stavu: spínač světla je buď zapnutý, nebo vypnutý, Kočka je buď mrtvá nebo živá. V kvantovém světě věci nefungují úplně stejně. Kvantová superpozice popisuje, jak může kvantová částice, jako je elektron, foton nebo dokonce atom, existovat ve více různých stavech současně – dokud se to měří. Než bude pozorováno, není to na půli cesty mezi státy, ale místo toho je „superpozicí“ těchto dvou najednou.
V kvantové fyzice je stav částice popsaný vlnou Rovnice, která nám říká pravděpodobnost, kde může být částice nebo jaké by mohly být její vlastnosti. Tato vlna pravděpodobnosti může existovat ve směsi více stavů.
Co je Schrödingerova kočka?
Schrödingerova kočka je slavný myšlenkový experiment, který ilustruje, jak funguje superpozice. Představte si kočku v krabici s mechanismem, který má šanci 50/50, aby ji zabil, v závislosti na tom, zda kvantová částice rozpadá radioaktivně, spontánně se mění na jiný typ atomu a uvolňuje radioaktivní částice, jako jsou elektrony.
Dokud někdo neotevře krabici a pozoruje ji, je kočka považována za superpozice živého i mrtvého. Když měříte nebo pozorujete systém – nebo v případě Schrödingerovy kočky se podívejte do krabice – superpozice se usadí do jednoho určitého stavu a objeví se osud kočky.
Související: Fyzici vytvářejí nejžhavější kočku Schrödingerovy kočky v průlomu kvantové technologie
Kvantová superpozice byla experimentálně pozorováno vědci při více příležitostech. Jeden slavný příklad je Experiment s dvojitým skliznímkde jsou fotony vystřeleny na bariéru se dvěma štěrbinami, za níž je obrazovka AA, která zaznamenává, kde částice přistanou. Pokud posíláte částice přes jednu štěrbinu, dostanete na obrazovce jediný pás, ale pokud otevřete obojí, získáte vlny podobný vlny s více pásy na obrazovce, což také dokazuje, že částice a vlny mohou působit jako navzájem. Posílání jedné částice najednou byste očekávali, že každý projde jednou nebo druhou štěrbinou. Vzorec interference se však stále staví, jako by každá jednotlivá částice interferovala sama. To znamená, že každá jednotlivá částice nějak prochází oběma štěrbinami najednou, a proto je v superpozici obou možností
Pokud se pokusíte změřit, která štěrbinu prochází částice, superpozice se zhroutí: zdá se, že částice prošla jedinou štěrbinou a vzorec rušení zmizí a na obrazovce ponechá pouze dva pásy.
Navíc ionty a Větší molekuly byly experimentálně uvězněny v superponovaném stavu a byl objeven chlorofyl v listech rostlin Použijte kvantovou superpozici efektivněji sklízet světlo ze slunce.
Proč je superpozice tak důležitá v kvantovém výpočtu?
Kvantová superpozice se také používá jako nástroj kvantové výpočetní techniky a je hlavním důvodem, proč mohou být kvantové počítače tak výkonné.
Klasický binární bit může být pouze v jednom stavu najednou: 0 nebo 1. Tyto bity jsou kódovány na tranzistorech, obvykle vyrobených z křemíku, germania nebo jiných polovodičů. S přítomnými třemi bity mohou mít potenciál 8 různých států: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 a 111. Pro zpracování všech možností je musí klasický počítač zkontrolovat po druhém.
V kvantových počítačích fungují částice jako elektrony nebo fotony jako a qubit (kvantový bit), který může být v superpozici 0 a 1.. Tři qubits mohou být v superpozici všech 8 možných stavů najednou, což znamená, že kvantové počítače mohou zpracovat mnohem větší počet výpočtů současně. Se třemi přítomnými qubits by kvantový počítač mohl zpracovat všech osm stavů uvedených výše najednou.
Tento mnohem větší výkon zpracování než tradiční počítače by mohl znamenat, že kvantové počítače by mohly být jednoho dne použity k provádění složitých simulací ve farmaceutikách, modelování klimatu a výrobě. Teoreticky může kvantový počítač dostatečně výkonný provést výpočty během několika sekund, které by vzaly Nejsilnější superpočítače miliony let k dokončení.
