La κβαντική υπέρθεση Είναι ένα concept που ακούγεται όλο και περισσότερο. Αυτή η ιδιότητα της φύσης χρησιμοποιείται στους σπόρους των κβαντικών υπολογιστών, της κβαντικής τηλεμεταφοράς και του κβαντικού Διαδικτύου. Ωστόσο, υπάρχουν πολλοί άνθρωποι που δεν γνωρίζουν καλά την κβαντική υπέρθεση και τους ακούγεται κινέζικο.
Σε αυτό το άρθρο θα σας πούμε τι είναι η κβαντική υπέρθεση, τα χαρακτηριστικά και η σημασία της.
Τι είναι η κβαντική υπέρθεση
Η κβαντική υπέρθεση είναι μια θεμελιώδης αρχή της κβαντικής μηχανικής που εκφράζει την ταυτόχρονη ύπαρξη ενός φυσικού συστήματος, όπως ένα ηλεκτρόνιο, σε όλες τις πιθανές θεωρητικές του καταστάσεις. Όταν παρατηρηθεί, μπορεί να "καταρρεύσει" μόνο σε μία από αυτές τις διαμορφώσεις. Αυτό το «πάγωμα» είναι τυχαίο αλλά βασίζεται στους νόμους των πιθανοτήτων.
Ένας τρόπος για να κατανοήσουμε την κβαντική υπέρθεση, τουλάχιστον με απλοποιημένο τρόπο, είναι να σκεφτούμε ότι ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο διεγερμένες καταστάσεις ταυτόχρονα, αλλά μόλις παρατηρηθεί αποκαλύπτει μόνο μία από αυτές. Έτσι, η υπέρθεση χρησιμοποιείται ευρέως στον κβαντικό υπολογισμό. Ένα "qubit" ή ένα qubit μπορεί να λάβει και τις δύο τιμές 0 και 1. Σε αντίθεση με ένα bit, ένα bit πρέπει να είναι είτε 0 είτε 1.
Αυτή η κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης είναι το αποτέλεσμα μιας θεωρητικής πρότασης του Γάλλου Δούκα Louis de Broglie, ο οποίος πρότεινε το 1924 ότι τα ηλεκτρόνια δεν είναι σωματίδια αλλά κύματα. Δηλαδή, τα ηλεκτρόνια δεν είναι «μπάλες» ύλης με κλασικές αλληλεπιδράσεις (όπως οι συγκρούσεις μεταξύ μπάλες του μπιλιάρδου), αλλά κύματα που ταξιδεύουν στο διάστημα. Αυτό είναι αληθινό.
Κβαντική υπέρθεση ηλεκτρονίων
Αν φανταζόμαστε τα ηλεκτρόνια ως «μπάλες», το άθροισμα του ενός συν του άλλου μας δίνει μια λανθασμένη ιδέα για το πώς συμπεριφέρεται η ύλη επειδή τα φανταζόμαστε στοιβαγμένα σαν μπάλες. Κάποια είναι πάνω, άλλα είναι κάτω και άλλα είναι στα πλάγια. Ωστόσο, η ύλη δεν λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο σε κβαντικό επίπεδο, μόνο σε μακροσκοπικό επίπεδο. Αυτό είναι δικό μας.
Το φαινόμενο της κβαντικής υπέρθεσης είναι πιο κατανοητό από τότε η άποψη ότι η ύλη συμπεριφέρεται σαν κύματα. Σε αντίθεση με την ύλη, τα κύματα μπορούν να επικαλύπτονται. Σε κβαντικό επίπεδο, η ύλη συμπεριφέρεται σαν κύματα και συμβαίνει κάτι ενδιαφέρον: η ύλη μπορεί να «προσθέσει» η μία στην άλλη.
Μια ενδιαφέρουσα αναλογία μπορεί να παρατηρηθεί στη φύση. Η παρακάτω εικόνα δείχνει τους κυματισμούς που αφήνουν σταγονίδια νερού στην επιφάνεια του νερού. Είναι ένα κυκλικό κύμα που διαδίδεται κατά μήκος μιας επιφάνειας. Όποιος έχει ρίξει ποτέ έναν βράχο σε μια λίμνη θα το ξέρει αυτό. Κατ' αρχήν, κάθε κύμα είναι ανεξάρτητο.
Ωστόσο, η υπέρθεση κυμάτων συμβαίνει κάθε φορά που συμπίπτουν δύο κύματα. Δηλαδή, προσθέστε ή αφαιρέστε τα μεγέθη τους. Όταν συναντώνται οι δύο κορυφογραμμές, το νερό ανεβαίνει πολύ ψηλά. Όπου υπάρχουν δύο κοιλάδες, βλέπουμε βαθουλώματα. Εάν οι κορυφές συμπίπτουν με τις κοιλάδες, το άθροισμα των κυμάτων θα οδηγήσει σε ακύρωση.
Κύματα και κβαντική υπέρθεση
Εάν τα ηλεκτρόνια είναι κύματα που κινούνται στο διάστημα, τα κύματα τους μπορούν να κάνουν πράγματα παρόμοια με αυτά που εμφανίζονται στο νερό. Το φαινόμενο είναι πολύ πιο περίπλοκο, αλλά εδώ είναι ένας τρόπος για να το απλοποιήσουμε. Αλλά το ερώτημα που ανησυχεί πολλούς είναι: πού είναι τα ηλεκτρόνια;
Σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, Η κβαντική υπέρθεση μπορεί να συμβεί μέχρι να παρατηρηθούν τα σωματίδια. Στη συνέχεια, η κυματική συνάρτηση (αυτή που περιγράφει την πιθανότητα ένα σωματίδιο να έχει τη μια ή την άλλη κατάσταση, όπως αντιπροσωπεύουμε συστήματα σωματιδίων) καταρρέει ή ορίζεται ως μια πιο συγκεκριμένη κυματική συνάρτηση.
Αν και δεν είναι εντελώς σωστή, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ακόλουθη αναλογία. Ένα μπαλόνι ηλίου επιπλέει σε ένα σκοτεινό δωμάτιο. Πρώτα, είναι αδύνατο να γνωρίζουμε ακριβώς πού βρίσκεται το μπαλόνι επειδή υπάρχουν πολύ περίπλοκες ροές αέρα που μετακινούν το μπαλόνι από τη μια πλευρά στην άλλη. Είναι δυνατό να προσδιοριστεί η πιθανότητα ότι το μπαλόνι βρίσκεται σε ένα ή άλλο μέρος. Αυτή είναι η κυματική του λειτουργία.
Πώς ξέρετε πού είναι τώρα; Πώς να κάνετε την κυματοσυνάρτηση να «καταρρεύσει»; Ένα πείραμα που μπορεί να γίνει είναι η ρίψη βελών. Αν το βελάκι πάει εκεί που δεν είναι το μπαλόνι, δεν ακούμε ήχο. Ωστόσο, αν το βέλος περάσει μέσα από το μπαλόνι, ακούμε μια έκρηξη. Το συμπέρασμα είναι: το μπαλόνι θα καθορίσει τη θέση του ανεξάρτητα από το αν το βέλος το χτυπήσει ή όχι. Δηλαδή, θα «καταρρεύσει» με φυσική έννοια και θα αποκαλύψει πού βρίσκεται.
Αν και δεν είναι μια τέλεια αναλογία, το παράδειγμα του μπαλονιού βοηθά να κατανοήσουμε πώς τα ηλεκτρόνια μπορούν να κατανεμηθούν σε μια συγκεκριμένη περιοχή του χώρου ταυτόχρονα και πώς μόνο όταν το κοιτάξεις μπορείς να καταλάβεις τι είναι.
Χρησιμότητα σήμερα
Εάν αυτή η ιδιότητα είναι τόσο ενδιαφέρουσα, είναι επειδή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών. Το 2016, μια ομάδα ερευνητών εκμεταλλεύτηκε τις κβαντικές ιδιότητες της ύλης, συμπεριλαμβανομένων των καταστάσεων υπέρθεσης, για να επιτρέψει τη μετάδοση πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις.
Εν 2017, μια άλλη ομάδα τηλεμεταφέρει επιτυχώς μια κβαντική κατάσταση μεταξύ δύο συνδεδεμένων κόμβων. Το 2022, μια ομάδα ερευνητών κατάφερε να τηλεμεταφέρει μια κβαντική κατάσταση μεταξύ δύο αποσυνδεδεμένων κόμβων χάρη στο γεγονός ότι οι κόμβοι της Αλίκης, του Μπομπ και του Τσάρλι συνδέθηκαν ένας προς έναν. Μέσα από αυτά τα πειράματα, είναι δυνατό να χτιστεί ένα πιο αξιόπιστο Διαδίκτυο.
Επί του παρόντος, οι επιστήμονες διερευνούν τρόπους για να επωφεληθούν από αυτή την ιδιότητα για να λύσουν προβλήματα που θα ήταν πολύ δύσκολο ή και αδύνατο να αντιμετωπιστούν με τους κλασικούς υπολογιστές. Σε έναν κβαντικό υπολογιστή, τα κλασικά bit (0 ή 1) αντικαθίστανται από qubits, τα οποία μπορούν να είναι σε επικάλυψη, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να αντιπροσωπεύουν το 0 και το 1 ταυτόχρονα. Αυτό επιτρέπει στον κβαντικό υπολογιστή να εξερευνά πολλαπλές λύσεις ταυτόχρονα, με αποτέλεσμα τεράστιες δυνατότητες επίλυσης πολύπλοκων προβλημάτων σε τομείς όπως η κρυπτογραφία, η προσομοίωση υλικών και η βελτιστοποίηση.
Μια άλλη ενδιαφέρουσα εφαρμογή είναι η ασφαλής κβαντική επικοινωνία. Λόγω της ιδιότητας της κβαντικής υπέρθεσης, κάθε προσπάθεια παρέμβασης στις μεταδιδόμενες πληροφορίες εντοπίζεται αμέσως, κάτι που θα μπορούσε να οδηγήσει σε ουσιαστικά αδιαπέραστα συστήματα επικοινωνίας και να διασφαλίσει το απόρρητο των πληροφοριών.
Ελπίζω ότι με αυτές τις πληροφορίες μπορείτε να μάθετε περισσότερα για την κβαντική υπέρθεση, τα χαρακτηριστικά και τη χρησιμότητά της.