Mekanik kuantum adalah pelik. Teori ini, yang menggambarkan kerja-kerja zarah-zarah kecil dan kuasa-kuasa, terkenal Albert Einstein begitu tidak selesa bahawa pada tahun 1935 dia dan rakan-rakannya mendakwa bahawa ia mesti tidak lengkap - ia juga "menyeramkan" menjadi nyata.
Kandungan Terkait
- Para Ilmuwan Menangkap Kucing Schrödinger di Kamera
- Tujuh Cara Mudah Kita Tahu Einstein Adalah Betul (Untuk Kini)
- Fizik Aneh Boleh Membuat Kucing Tak Tak Boleh Dilihat
- Lockheed Martin Memiliki Komputer Kuantum Fast-Fast Dan Rancangan Sebenarnya Menggunakan Mereka
Masalahnya adalah bahawa fizik kuantum seolah-olah menentang pengertian umum tentang kausalitas, lokasi dan realisme. Sebagai contoh, anda tahu bahawa bulan wujud walaupun anda tidak melihatnya-itu realisme. Kesalahannya memberitahu kita bahawa jika anda menghidupkan suis lampu, mentol akan menerangi. Dan terima kasih kepada batas keras pada kelajuan cahaya, jika anda menghidupkan suis sekarang, kesan yang berkaitan tidak dapat berlaku dengan serta-merta satu juta tahun cahaya jauh dari tempat. Walau bagaimanapun, prinsip-prinsip ini merosakkan dalam alam kuantum. Mungkin contoh yang paling terkenal adalah kekeliruan kuantum, yang mengatakan bahawa zarah-zarah pada sisi bertentangan alam semesta boleh dikaitkan secara intrinsik supaya mereka berkongsi maklumat dengan serta-merta-idea yang membuat Einstein mengejek.
Tetapi pada tahun 1964, ahli fizik John Stewart Bell membuktikan bahawa fizik kuantum sebenarnya teori yang lengkap dan boleh dilaksanakan. Hasilnya, yang kini dikenali sebagai Bell Theorem, membuktikan bahawa sifat-sifat kuantum seperti kesilapan adalah sama seperti bulan, dan hari ini perilaku aneh sistem kuantum sedang digunakan untuk pelbagai aplikasi dunia nyata. Berikut adalah lima yang paling menarik:
Jam strontium, yang dilancarkan oleh NIST dan JILA pada bulan Januari, akan memastikan masa yang tepat untuk 5 bilion tahun akan datang. (Kumpulan Ye dan Brad Baxley, JILA) Jam ultra-tepat
Masa yang boleh dipercayai adalah lebih daripada sekadar penggera pagi anda. Jam menyegerakkan dunia teknologi kita, menjaga perkara seperti pasaran saham dan sistem GPS sejajar. Jam standard menggunakan ayunan biasa objek fizikal seperti pendulums atau kristal kuarza untuk menghasilkan 'kutu' dan 'tocks' mereka. Hari ini, jam yang paling tepat di dunia, jam atom, dapat menggunakan prinsip teori kuantum untuk mengukur masa. Mereka memantau frekuensi radiasi tertentu yang diperlukan untuk membuat elektron melompat di antara tahap tenaga. Jam logik kuantum di Institut Kebangsaan dan Teknologi Kebangsaan Amerika Syarikat (NIST) di Colorado hanya kehilangan atau memperoleh kedua setiap 3.7 bilion tahun. Dan jam strontium NIST, yang dilancarkan awal tahun ini, akan menjadi tepat untuk 5 bilion tahun-lebih lama daripada usia semasa Bumi. Jam atom yang sensitif sedemikian membantu dengan navigasi GPS, telekomunikasi dan ukur.
Ketepatan jam atom bergantung sebahagiannya kepada bilangan atom yang digunakan. Terus di dalam ruang vakum, setiap atom secara bebas mengukur masa dan memerhatikan perbezaan tempatan secara rawak antara dirinya dan jirannya. Sekiranya ahli sains menjejalkan 100 kali lebih atom ke dalam jam atom, ia menjadi 10 kali lebih tepat-tetapi ada batasan untuk berapa banyak atom yang boleh anda perasan. Matlamat besar seterusnya penyelidik adalah untuk berjaya menggunakan kekasaran untuk meningkatkan ketepatan. Atom yang dilenyapkan tidak akan sibuk dengan perbezaan tempatan dan sebaliknya semata-mata mengukur peredaran masa, dengan berkesan membawanya bersama sebagai pendulum tunggal. Ini bermakna menambah 100 kali lebih banyak atom ke dalam jam terikat akan menjadikannya 100 kali lebih tepat. Jam yang dihantarkan bahkan boleh dihubungkan untuk membentuk rangkaian di seluruh dunia yang akan mengukur masa bebas dari lokasi.
Pemerhati akan mempunyai masa yang sukar menggodam koresponden kuantum. (VEGKER STEGER / Perpustakaan Foto Sains / Corbis) Kod Uncrackable
Kriptografi tradisional berfungsi dengan menggunakan kekunci: Pengirim menggunakan satu kunci untuk menyandikan maklumat, dan penerima menggunakan lain untuk membaca kod mesej. Walau bagaimanapun, sukar untuk menghapuskan risiko penyadap, dan kunci boleh dikompromi. Ini boleh diperbetulkan menggunakan pengedaran kunci kuantum yang berpotensi tidak dapat dipecahkan (QKD). Dalam QKD, maklumat mengenai kunci dihantar melalui foton yang telah digali secara rawak. Ini menyekat foton supaya ia bergetar dalam hanya satu satah-contohnya, atas dan ke bawah, atau ke kiri ke kanan. Penerima boleh menggunakan penapis polarisasi untuk memecahkan kunci dan kemudian menggunakan algoritma yang dipilih untuk menyulitkan mesej dengan selamat. Data rahsia masih akan dihantar melalui saluran komunikasi biasa, tetapi tiada siapa yang boleh menyahkod mesej kecuali mereka mempunyai kunci kuantum yang tepat. Itulah rumit, kerana peraturan kuantum menetapkan bahawa "membaca" foton terpolarisasi akan sentiasa mengubah keadaan mereka, dan sebarang percubaan dalam penyambungan akan memaklumkan komunikator kepada pelanggaran keselamatan.
Kini, syarikat-syarikat seperti BBN Technologies, Toshiba dan ID Quantique menggunakan QKD untuk merekabentuk rangkaian ultra-selamat. Pada tahun 2007, Switzerland mencuba produk ID Quantique untuk menyediakan sistem pengundian buktikan semasa pilihan raya. Dan pemindahan bank pertama yang menggunakan QKD terikat terus ke Austria pada tahun 2004. Sistem ini menjanjikan sangat selamat, kerana jika foton terjerat, apa-apa perubahan kepada keadaan kuantum mereka yang dibuat oleh interlopers akan segera dilihat oleh sesiapa yang mengawasi galas utama zarah. Tetapi sistem ini belum berfungsi pada jarak yang jauh. Setakat ini, foton terikat telah dihantar pada jarak maksimum kira-kira 88 batu.
Tutup cip komputer D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Komputer Berkuasa Super
Komputer standard mengodkan maklumat sebagai rentetan digit biner, atau bit. Komputer kuantum memaksakan kuasa pemprosesan kerana mereka menggunakan bit kuantum, atau qubit, yang wujud dalam tindihan negeri-sehingga mereka diukur, qubit boleh menjadi "1" dan "0" pada masa yang sama.
Bidang ini masih dalam pembangunan, tetapi ada langkah-langkah ke arah yang betul. Pada tahun 2011, D-Wave Systems mendedahkan D-Wave One, sebuah pemproses 128-qubit, diikuti setahun kemudian oleh D-Wave Two 512-qubit. Syarikat itu berkata ini adalah komputer kuantum yang boleh didapati secara komersial di dunia pertama. Walau bagaimanapun, tuntutan ini telah dipenuhi dengan keraguan, sebahagiannya kerana masih belum jelas sama ada qubit D-Wave terikat. Kajian yang dikeluarkan pada bulan Mei mendapati bukti kelemahan tetapi hanya dalam subset kecil qubit komputer. Terdapat juga ketidakpastian mengenai sama ada cip memaparkan apa-apa kepantasan kuantum yang boleh dipercayai. Namun, NASA dan Google telah bekerjasama untuk membentuk Makmal Perisikan Buatan Kuantum berdasarkan D-Wave Two. Dan para saintis di University of Bristol tahun lalu mengaitkan salah satu cip kuantum tradisional mereka ke Internet supaya sesiapa sahaja dengan pelayar web dapat mempelajari pengkodan kuantum.
Mengekalkan mata tajam terhadap kelemahan. (Ono et al., Arxiv.org) Mikroskop yang bertambah baik
Pada bulan Februari, satu pasukan penyelidik di Universiti Hokkaido Jepun telah membangunkan mikroskop dipertingkatkan yang pertama di dunia, menggunakan teknik yang dikenali sebagai mikroskop kontras gangguan berbeza. Mikroskop jenis ini menyala dua rasuk foton pada bahan dan mengukur corak gangguan dicipta oleh rasuk yang ditunjukkan-perubahan corak bergantung sama ada mereka memukul permukaan rata atau tidak rata. Menggunakan foton terikat sangat meningkatkan jumlah maklumat mikroskop yang boleh berkumpul, kerana mengukur satu foton yang terikat memberi maklumat tentang pasangannya.
Pasukan Hokkaido berjaya mencatatkan sebuah "Q" yang terukir yang berdiri hanya 17 nanometer di atas latar belakang dengan ketajaman yang belum pernah terjadi sebelumnya. Teknik yang sama boleh digunakan untuk memperbaiki resolusi alat astronomi yang disebut interferometers, yang menstabilkan gelombang cahaya yang berlainan untuk menganalisis sifatnya dengan lebih baik. Interferometers digunakan dalam memburu planet-planet extrasolar, untuk menyelidik bintang berdekatan dan mencari riak di ruang angkasa yang dikenali sebagai gelombang graviti.
Robin Eropah mungkin semulajadi kuantum. (Andrew Parkinson / Corbis) Kompas biologi
Manusia bukanlah satu-satunya yang menggunakan mekanik kuantum. Satu teori terkemuka menunjukkan bahawa burung-burung seperti robin Eropah menggunakan aksi menyeramkan untuk terus berjalan ketika mereka berhijrah. Kaedah ini melibatkan protein sensitif cahaya yang dipanggil cryptochrome, yang mungkin mengandungi elektron terikat. Apabila foton memasuki mata, mereka memukul molekul cryptochrome dan dapat memberikan tenaga yang cukup untuk memecahkannya, membentuk dua molekul reaktif, atau radikal, dengan elektron yang tidak berpasangan tetapi masih terikat. Medan magnet di sekeliling burung mempengaruhi berapa lama radikal cryptochrome ini berlangsung. Sel-sel di retina burung dianggap sangat sensitif terhadap kehadiran radikal yang terikat, yang membolehkan haiwan untuk 'melihat' peta magnet secara efektif berdasarkan molekul.
Walau bagaimanapun, proses ini tidak difahami sepenuhnya dan terdapat pilihan lain: Sensitiviti magnetik burung dapat disebabkan oleh kristal-kristal kecil mineral-mineral magnetik dalam paruh-paruhnya. Namun, jika kesilapan benar-benar bermain, eksperimen menunjukkan bahawa keadaan lembut mesti bertahan lebih lama di mata burung daripada bahkan sistem tiruan yang terbaik. Kompas magnet juga boleh digunakan untuk beberapa cicak, krustasea, serangga dan juga beberapa mamalia. Sebagai contoh, satu bentuk cryptochrome yang digunakan untuk navigasi magnetik dalam lalat juga telah dijumpai di mata manusia, walaupun ia tidak jelas sama ada ia atau sekali berguna untuk tujuan yang sama.
