Kvantemekanikk er rart. Teorien, som beskriver virkningen av bittesmå partikler og krefter, gjorde notorisk Albert Einstein så urolig at i 1935 hevdet han og kollegene at det måtte være ufullstendig - det var for "uhyggelig" til å være ekte.
Relatert innhold
- Forskere fanger Schrödingers katt på kamera
- Syv enkle måter vi vet at Einstein hadde rett (for nå)
- Rart fysikk kan synliggjøre en usynlig katt
- Lockheed Martin har vanvittige kvantedatamaskiner og planer om å bruke dem faktisk
Problemet er at kvantefysikk ser ut til å trosse sanseforståelsene om kausalitet, lokalitet og realisme. For eksempel vet du at månen eksisterer selv når du ikke ser på den - det er realisme. Årsakssammenheng forteller oss at hvis du blar i en lysbryter, lyser pæren. Og takket være en hard grense for lysets hastighet, hvis du blar i en bryter nå, kan den relaterte effekten ikke oppstå umiddelbart en million lysår unna i henhold til lokalitet. Imidlertid bryter disse prinsippene ned i kvanteområdet. Det kanskje mest kjente eksemplet er kvanteforviklinger, som sier at partikler på motsatte sider av universet kan kobles inn i hverandre slik at de deler informasjon umiddelbart - en idé som gjorde Einstein til å spotte.
Men i 1964 beviste fysiker John Stewart Bell at kvantefysikk faktisk var en fullstendig og gjennomførbar teori. Resultatene hans, nå kalt Bells teorem, beviste effektivt at kvanteegenskaper som forviklinger er like reelle som månen, og i dag benyttes den bisarre oppførselen til kvantesystemer for bruk i en rekke virkelige applikasjoner. Her er fem av de mest spennende:
En strontiumklokke, som ble avduket av NIST og JILA i januar, vil holde nøyaktig tid de neste 5 milliarder årene. (Ye-gruppen og Brad Baxley, JILA) Ultra-presise klokker
Pålitelig tidtaking handler om mer enn bare morgenalarmen din. Klokker synkroniserer vår teknologiske verden og holder ting som aksjemarkeder og GPS-systemer på linje. Standard klokker bruker regelmessige svingninger av fysiske gjenstander som pendler eller kvarts krystaller for å produsere sine "flått" og "tocks". I dag er de mest presise klokkene i verden, atomklokker, i stand til å bruke prinsipper for kvanteteori for å måle tid. De overvåker den spesifikke strålingsfrekvensen som er nødvendig for å få elektroner til å hoppe mellom energinivåene. Den kvantelogiske klokken ved US National Institute of Standards and Technology (NIST) i Colorado mister eller vinner bare hvert sekund hvert 3, 7 milliarder år. Og NIST-strontiumklokken, som ble avduket tidligere i år, vil være den nøyaktige i 5 milliarder år — lenger enn jordens nåværende alder. Slike supersensitive atomklokker hjelper til med GPS-navigasjon, telekommunikasjon og oppmåling.
Presisjonen til atomklokker er delvis avhengig av antall anvendte atomer. Holdt i et vakuumkammer, hvert mål måler uavhengig av tid og holder øye med de tilfeldige lokale forskjellene mellom seg selv og sine naboer. Hvis forskere stapper 100 ganger flere atomer i en atomur, blir det 10 ganger mer presis - men det er en grense for hvor mange atomer du kan presse inn. Forskernes neste store mål er å bruke sammenfiltring for å forbedre presisjonen. Innviklete atomer ville ikke være opptatt av lokale forskjeller og ville i stedet utelukkende måle tidens gang og effektivt bringe dem sammen som en enkelt pendel. Det betyr at å legge til 100 ganger flere atomer i en sammenfiltret klokke ville gjøre det 100 ganger mer presist. Innfiltrede klokker kan til og med knyttes til et verdensomspennende nettverk som vil måle tid uavhengig av beliggenhet.
Observatører vil ha det vanskelig for å hacke inn kvantekorrespondanse. (VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis) Uknekelige koder
Tradisjonell kryptografi fungerer ved hjelp av nøkler: En avsender bruker en nøkkel for å kode informasjon, og en mottaker bruker en annen for å avkode meldingen. Imidlertid er det vanskelig å fjerne risikoen for en avlytting, og nøkler kan bli kompromittert. Dette kan fikses ved hjelp av potensielt uknuselig quantum key distribution (QKD). I QKD blir informasjon om nøkkelen sendt via fotoner som er tilfeldig polarisert. Dette begrenser fotonet slik at det bare vibrerer i ett plan - for eksempel opp og ned, eller venstre mot høyre. Mottakeren kan bruke polariserte filtre for å dechiffrere nøkkelen og deretter bruke en valgt algoritme for å kryptere en melding på en sikker måte. De hemmelige dataene blir fortsatt sendt over normale kommunikasjonskanaler, men ingen kan avkode meldingen med mindre de har den eksakte kvantetasten. Det er vanskelig, fordi kvantitetsregler tilsier at å "lese" de polariserte fotonene alltid vil endre tilstandene deres, og ethvert forsøk på avlytting vil varsle kommunikatørene om et sikkerhetsbrudd.
I dag bruker selskaper som BBN Technologies, Toshiba og ID Quantique QKD for å designe ultrasikre nettverk. I 2007 prøvde Sveits ut et ID Quantique-produkt for å gi et manipulasjonssikkert stemmesystem under et valg. Og den første bankoverføringen ved hjelp av sammensveiset QKD gikk videre i Østerrike i 2004. Dette systemet lover å være svært sikkert, fordi hvis fotonene er viklet inn, vil eventuelle endringer i kvantetilstandene deres som ble gjort av interlopere, umiddelbart vises for alle som overvåker nøkkelbæringen partikler. Men dette systemet fungerer ennå ikke over store avstander. Så langt er innfiltrede fotoner blitt overført over en maksimal avstand på rundt 88 mil.
Nærbilde av en D-Wave One datamaskinbrikke. (D-Wave Systems, Inc.) Superkraftige datamaskiner
En standard datamaskin koder informasjon som en streng med binære sifre eller biter. Kvantumdatamaskiner overlader prosessorkraft fordi de bruker kvantebits, eller qubits, som eksisterer i en superposisjon av tilstander - inntil de blir målt, kan qubits være både "1" og "0" på samme tid.
Dette feltet er fremdeles i utvikling, men det har vært trinn i riktig retning. I 2011 avslørte D-Wave Systems D-Wave One, en 128-qubit prosessor, fulgt et år senere av 512-qubit D-Wave Two. Selskapet sier at dette er verdens første kommersielt tilgjengelige kvantedatamaskiner. Imidlertid har denne påstanden blitt møtt med skepsis, delvis fordi det fremdeles er uklart om D-Waves qubits er viklet inn. Studier som ble utgitt i mai, fant bevis på sammenfiltring, men bare i en liten undergruppe av datamaskinens qubits. Det er også usikkerhet om brikkene viser noen pålitelig kvantesnakking. Likevel har NASA og Google gått sammen om å danne Quantum Artificial Intelligence Lab basert på en D-Wave Two. Og forskere ved University of Bristol koblet i fjor en av sine tradisjonelle kvantechips til Internett slik at alle med en nettleser kan lære seg kvantekoding.
Hold et skarpt øye med sammenfiltring. (Ono et al., Arxiv.org) Forbedrede mikroskoper
I februar utviklet et team av forskere ved Japans Hokkaido University verdens første sammenfiltringsforbedrede mikroskop ved hjelp av en teknikk kjent som differensial interferens kontrastmikroskopi. Denne typen mikroskop avfyrer to bjelker med fotoner på et stoff og måler interferensmønsteret som er skapt av de reflekterte bjelkene - mønsteret endres avhengig av om de treffer en flat eller ujevn overflate. Å bruke sammenfiltrede fotoner øker mengden av informasjon mikroskopet kan samle kraftig, da måling av et sammensveiset foton gir informasjon om partneren.
Hokkaido-teamet klarte å avbilde en inngravert "Q" som sto bare 17 nanometer over bakgrunnen med enestående skarphet. Lignende teknikker kan brukes for å forbedre oppløsningen av astronomiverktøy som kalles interferometre, som overlegger forskjellige lysbølger for bedre å analysere deres egenskaper. Interferometre blir brukt i jakten på ekstrasolare planeter, for å undersøke stjerner i nærheten og for å søke etter krusninger i romtiden som kalles gravitasjonsbølger.
Den europeiske robin kan være en kvante-naturlig. (Andrew Parkinson / Corbis) Biologiske kompasser
Mennesker er ikke de eneste som bruker kvantemekanikk. En ledende teori antyder at fugler som den europeiske robin bruker den uhyggelige handlingen for å holde på sporet når de vandrer. Metoden involverer et lysfølsomt protein kalt cryptochrome, som kan inneholde sammenfiltrede elektroner. Når fotoner kommer inn i øyet, treffer de kryptokrome molekyler og kan levere nok energi til å bryte dem fra hverandre, og danner to reaktive molekyler eller radikaler med uparrede, men fortsatt sammenfiltrede elektroner. Magnetfeltet som omgir fuglen påvirker hvor lenge disse kryptokromradikaler varer. Celler i fuglens netthinne er antatt å være veldig følsomme for tilstedeværelsen av de sammenfiltrede radikaler, slik at dyrene effektivt kan "se" et magnetisk kart basert på molekylene.
Denne prosessen er imidlertid ikke helt forstått, og det er et annet alternativ: Fuglenes magnetiske følsomhet kan skyldes små krystaller av magnetiske mineraler i nebbene. Likevel, hvis forviklinger virkelig er i spill, antyder eksperimenter at den delikate tilstanden må vare mye lenger i et fugleperspektiv enn i selv de beste kunstige systemene. Det magnetiske kompasset kan også være aktuelt for visse øgler, krepsdyr, insekter og til og med noen pattedyr. For eksempel har en form for kryptokrom som brukes til magnetisk navigering i fluer også blitt funnet i det menneskelige øye, selv om det er uklart om det er eller en gang var nyttig for et lignende formål.
