Τα 12 Πιο Σημαντικά και Εκπληκτικά Κβαντικά Πειράματα του 2019

 

Η κβαντική πληροφορική φαίνεται

να πλησιάζει κάθε χρόνο κι έναν πόντο.

Τα γεγονότα της ελαχιστότερης κλίμακας έχουν τεράστιες συνέπειες. Και κανένα επιστημονικό πεδίο δεν το αποδεικνύει αυτό καλύτερα από την κβαντική φυσική, η οποία διερευνά τις περίεργες συμπεριφορές – κυρίως – των πολύ μικρών πραγμάτων. Το 2019, τα κβαντικά πειράματα πήγαν σε νέα και ακόμη πιο παράξενα τοπία και η πρακτική κβαντική πληροφορική φτάνει όλο και πιο κοντά στην πραγματικότητα, παρά τις διαμάχες που υπάρχουν.

Αυτά ήταν τα πιο σημαντικά και εκπληκτικά κβαντικά γεγονότα του 2019.

Η Google αξιώνει «κβαντική υπεροχή»

Εάν γραφτεί στα βιβλία ιστορίας μια κβαντική είδηση από το 2019, πιθανότατα θα είναι μια μεγάλη ανακοίνωση που προήλθε από την Google: Η τεχνολογική εταιρεία ανακοίνωσε ότι είχε επιτύχει «κβαντική υπεροχή». Αυτός είναι ένας τρόπος εντυπωσιασμού για να ειπωθεί ότι η Google έχει δημιουργήσει έναν υπολογιστή που μπορεί να εκτελέσει ορισμένες εργασίες γρηγορότερα από ό, τι θα μπορούσε οποιοσδήποτε κλασικός υπολογιστής. (Η κατηγορία των κλασικών υπολογιστών περιλαμβάνει κάθε μηχάνημα που βασίζεται σε συνήθη γνώριμα 1 και 0, όπως η συσκευή που χρησιμοποιείτε για να διαβάσετε αυτό το άρθρο.)

Ο ισχυρισμός της Google για την κβαντική υπεροχή, εάν επιβεβαιωθεί, θα σηματοδοτήσει ένα σημείο καμπής στην ιστορία της πληροφορικής. Οι κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται σε παράξενες φυσικές επιδράσεις μικρής κλίμακας όπως η εμπλοκή, καθώς και σε ορισμένες βασικές αβεβαιότητες στο νανο-σύμπαν, για να εκτελέσουν τους υπολογισμούς τους. Θεωρητικά, αυτή η ποιότητα δίνει στα μηχανήματα αυτά ορισμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με τους κλασικούς υπολογιστές. Μπορούν εύκολα να σπάσουν κλασικούς συνδυασμούς κρυπτογράφησης, να στείλουν τέλεια κρυπτογραφημένα μηνύματα, να εκτελέσουν μερικές προσομοιώσεις γρηγορότερα από τους κλασικούς υπολογιστές και γενικά μπορούν να λύσουν δύσκολα προβλήματα με μεγάλη ευκολία. Η δυσκολία είναι ότι κανείς δεν έχει φτιάξει ποτέ έναν κβαντικό υπολογιστή αρκετά γρήγορο ώστε να επωφεληθεί από αυτά τα θεωρητικά πλεονεκτήματα – ή τουλάχιστον κανείς δεν είχε, μέχρι το επίτευγμα της Google. (δείτε σχετικό μας άρθρο εδώ).

Ωστόσο, δεν τσιμπάνε όλοι στον ισχυρισμό υπεροχής της τεχνολογικής εταιρείας. Ο Subhash Kak, κβαντικός σκεπτικιστής και ερευνητής στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Οκλαχόμα, παρουσίασε αρκετούς από τους λόγους σε αυτό το άρθρο στο Live Science.

Το Κιλό Γίνεται Κβαντικό

Ένα άλλο κβαντικό σημείο καμπής του 2019 προήλθε από τον κόσμο των βαρών και των μέτρων. Το τυποποιημένο κιλό, το φυσικό αντικείμενο που καθόρισε τη μονάδα μάζας για όλες τις μετρήσεις, ήταν έως τώρα ένας κύλινδρος πλατίνας-ιριδίου 130 ετών που ζύγιζε 2,2 λίβρες και βρισκόταν σε ένα δωμάτιο στη Γαλλία. Αυτό άλλαξε φέτος.

Το παλιό κιλό ήταν αρκετά καλό και μετά βίας άλλαζε μάζα κατά τη διάρκεια των δεκαετιών. Αλλά το νέο κιλό είναι τέλειο: Με βάση τη θεμελιώδη σχέση μεταξύ μάζας και ενέργειας, καθώς και μια ιδιορρυθμία στη συμπεριφορά της ενέργειας σε κβαντικές κλίμακες, οι φυσικοί κατάφεραν να καταλήξουν σε έναν ορισμό του κιλού  που δεν θα αλλάξει καθόλου μεταξύ αυτού του έτους και του τέλους του σύμπαντος.

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

Η Πραγματικότητα Λιγάκι Έσπασε

Μια ομάδα φυσικών σχεδίασε ένα κβαντικό πείραμα που έδειξε ότι τα γεγονότα αλλάζουν ανάλογα με την οπτική σας για την κατάσταση. Οι φυσικοί εκτέλεσαν ένα είδος «κορώνα ή γράμματα» χρησιμοποιώντας φωτόνια σε έναν μικροσκοπικό κβαντικό υπολογιστή, διαπιστώνοντας ότι τα αποτελέσματα ήταν διαφορετικά για διαφορετικούς ανιχνευτές, ανάλογα με τις οπτικές τους.

«Δείχνουμε ότι, στον μικρόκοσμο των ατόμων και των σωματιδίων ο οποίος διέπεται από τους παράξενους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, δύο διαφορετικοί παρατηρητές δικαιούνται να έχουν τα δικά τους διαφορετικά γεγονότα», έγραψαν οι πειραματιζόμενοι σε άρθρο τους για το Live Science. «Με άλλα λόγια, σύμφωνα με την καλύτερη θεωρία μας για τα δομικά στοιχεία της ίδιας της φύσης, τα γεγονότα μπορούν στην πραγματικότητα να είναι υποκειμενικά».

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

Η Εμπλοκή Βρήκε τη Μαγική της Λήψη

 

_{(Πίστωση εικόνας: Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης/CC από 4.0)}

_{(Πίστωση εικόνας: Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης/CC από 4.0)}

Για πρώτη φορά, οι φυσικοί τράβηξαν φωτογραφία του φαινομένου που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν περιέγραψε ως «τρομακτική δράση σε απόσταση», στην οποία δύο σωματίδια παραμένουν φυσικά συνδεδεμένα παρά το γεγονός ότι χωρίζονται από μεγάλες αποστάσεις. Αυτό το χαρακτηριστικό του κβαντικού κόσμου είχε επαληθευτεί πειραματικά εδώ και καιρό, αλλά αυτή ήταν η πρώτη φορά που κάποιος το είδε.

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

Κάτι Μεγάλο Κινήθηκε σε Πολλαπλές Κατευθύνσεις

^{(Πίστωση εικόνας: Yaakov Fein, Πανεπιστήμιο της Βιέννης)}

Το κατά κάποιον τρόπο εννοιολογικό αντίθετο της εμπλοκής, η κβαντική υπέρθεση, επιτρέπει σε ένα μόνο αντικείμενο να βρίσκεται σε δύο (ή περισσότερα) μέρη ταυτόχρονα, μια συνέπεια της ύλης που υφίσταται τόσο ως σωματίδια όσο και ως κύματα. Συνήθως, αυτό επιτυγχάνεται με μικροσκοπικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια.

Αλλά σε ένα πείραμα του 2019, οι φυσικοί κατάφεραν να επιτύχουν υπέρθεση στη μεγαλύτερη κλίμακα όλων των εποχών: χρησιμοποιώντας τεράστια μόρια 2.000 ατόμων από τον κόσμο της ιατρικής επιστήμης γνωστά ως «ολιγο-τετραφαινυλοπορφυρίνες εμπλουτισμένες με αλυσίδες φθοριοαλκυλσουλφανύλης».

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

Η Θερμότητα Διέσχισε το Κενό

^{Στη φωτογραφία φαίνεται η πειραματική συσκευή που επέτρεψε στη θερμότητα να διασχίσει κενό χώρο. (Πίστωση εικόνας: Βάιολετ Κάρτερ, UC Μπέρκλεϋ)}

Υπό κανονικές συνθήκες, η θερμότητα μπορεί να διασχίσει ένα κενό με έναν μόνο τρόπο: με τη μορφή ακτινοβολίας. (Αυτό αισθάνεστε όταν οι ακτίνες του ήλιου διασχίζουν το διάστημα και χτυπούν το πρόσωπό σας μια καλοκαιρινή μέρα.) Διαφορετικά, σε τυποποιημένα φυσικά μοντέλα, η θερμότητα κινείται με δύο τρόπους:

Πρώτον, τα διεγερμένα σωματίδια μπορούν να χτυπήσουν σε άλλα σωματίδια και να μεταφέρουν την ενέργειά τους. (Τυλίξτε τα χέρια σας γύρω από ένα ζεστό φλιτζάνι τσάι για να αισθανθείτε αυτό το αποτέλεσμα.)

Δεύτερον, ένα ζεστό υγρό μπορεί να μετατοπίσει ένα ψυχρότερο υγρό. (Αυτό συμβαίνει όταν ενεργοποιείτε τη θέρμανση στο αυτοκίνητό σας, πλημμυρίζοντας το εσωτερικό με ζεστό αέρα.) Έτσι, χωρίς ακτινοβολία, η θερμότητα δεν μπορεί να διασχίσει ένα κενό.

Αλλά η κβαντική φυσική, ως συνήθως, σπάει τους κανόνες. Σε ένα πείραμα του 2019, οι φυσικοί εκμεταλλεύτηκαν το γεγονός ότι στην κβαντική κλίμακα τα κενά δεν είναι πραγματικά άδεια. Αντ’ αυτού, είναι γεμάτα από μικροσκοπικές, τυχαίες διακυμάνσεις που ξεπηδούν εντός και εκτός ύπαρξης. Σε αρκετά μικρή κλίμακα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η θερμότητα μπορεί να διασχίσει ένα κενό πηδώντας από τη μία διακύμανση στην άλλη κατά μήκος του φαινομενικά κενού χώρου.

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

Η Αιτία και το Αποτέλεσμα Ενδέχεται να Γύρισαν Ανάποδα

_{(Πίστωση εικόνας: NASA/JPL-Caltech)}

Αυτό το εύρημα απέχει πολύ από μια πειραματικά επαληθευμένη ανακάλυψη, και μάλιστα βρίσκεται πολύ έξω από τη σφαίρα της παραδοσιακής κβαντικής φυσικής. Αλλά οι ερευνητές που εργάζονται με την κβαντική βαρύτητα — ένα θεωρητικό κατασκεύασμα που έχει σχεδιαστεί για να ενοποιήσει τους κόσμους της κβαντικής μηχανικής με τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν — έδειξαν ότι υπό ορισμένες συνθήκες ένα γεγονός θα μπορούσε να προκαλέσει ένα αποτέλεσμα που συνέβη νωρίτερα στο χρόνο.

Ορισμένα πολύ βαριά αντικείμενα μπορούν να επηρεάσουν τη ροή του χρόνου στην εγγύς περιοχή τους λόγω της γενικής σχετικότητας. Γνωρίζουμε ότι αυτό είναι αλήθεια. Και η κβαντική υπέρθεση υπαγορεύει ότι τα αντικείμενα μπορούν να βρίσκονται σε πολλαπλά σημεία ταυτόχρονα. Τοποθετήστε ένα πολύ βαρύ αντικείμενο (όπως έναν μεγάλο πλανήτη) σε κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης, έγραψαν οι ερευνητές, και μπορείτε να σχεδιάσετε τρελά σενάρια όπου η αιτία και το αποτέλεσμα λαμβάνουν χώρα με λάθος σειρά.

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

Λύνεται το Μυστήριο της Κβαντοσηράγγωσης

^{(Πίστωση εικόνας: Shutterstock)}

Οι φυσικοί γνωρίζουν εδώ και πολύ καιρό για ένα παράξενο φαινόμενο, γνωστό ως «κβαντοσηράγγωση», στο οποίο τα σωματίδια φαίνεται να περνούν μέσα από φαινομενικά αδιάβατα φράγματα. Όμως αυτό δεν οφείλεται στο ότι είναι τόσο μικρά που βρίσκουν τρύπες. Το 2019 ένα πείραμα έδειξε πώς πραγματικά συμβαίνει αυτό.

Η κβαντική φυσική λέει ότι τα σωματίδια είναι επίσης κύματα, και μπορείτε να σκεφτείτε αυτά τα κύματα ως προβολές πιθανότητας για τη θέση του σωματιδίου. Αλλά παραμένουν κύματα. Σπάστε ένα κύμα επάνω σε ένα φράγμα στον ωκεανό, και θα χάσει κάποια ενέργεια, αλλά θα εμφανιστεί ένα μικρότερο κύμα στην άλλη πλευρά. Οι ερευνητές διαπίστωσαν πως μια παρόμοια επίδραση συμβαίνει στον κβαντικό κόσμο. Και όσο υπάρχει ένα κύμα πιθανότητας στην άλλη πλευρά του φράγματος, το σωματίδιο έχει την ευκαιρία να περάσει μέσα από το εμπόδιο, διασχίζοντας μια κβαντική σήραγγα μέσα από ένα χώρο όπου φαίνεται ότι δεν μπορεί να χωρέσει.

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

Μπορεί να Εμφανίστηκε στη Γη Μεταλλικό Υδρογόνο

^{Πίστωση εικόνας: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/ Gerald Eichstadt/Justin Cowart)}

Αυτή ήταν μια μεγάλη χρονιά για τη φυσική υπερ-υψηλής πίεσης (ultra-high-pressure physics). Και ένας από τους πιο τολμηρούς ισχυρισμούς προήλθε από ένα γαλλικό εργαστήριο, το οποίο ανακοίνωσε ότι δημιούργησε μια ουσία ιερού δισκοπότηρου για την επιστήμη των υλικών: μεταλλικό υδρογόνο. Κάτω από αρκετά υψηλές πιέσεις, όπως αυτές που πιστεύεται ότι υπάρχουν στον πυρήνα του Δία, τα άτομα υδρογόνου ενός πρωτονίου πιστεύεται ότι δρουν ως αλκαλικό μέταλλο. Αλλά κανείς δεν είχε προηγουμένως καταφέρει ποτέ να δημιουργήσει πιέσεις αρκετά υψηλές ώστε να αποδείξει το αποτέλεσμα εντός εργαστηρίου. Το 2019 η ομάδα του εργαστηρίου ανέφερε ότι το κατάφεραν στα 425 gigapascals (4,2 εκατομμύρια φορές την ατμοσφαιρική πίεση της Γης στην στάθμη της θάλασσας). Ωστόσο, δεν πίστεψαν όλοι αυτόν τον ισχυρισμό.

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

Αντικρίσαμε την Κβαντική Χελώνα

_{Πίστωση εικόνας: Ευγενική προσφορά του Lei Feng/Πανεπιστήμιο του Σικάγου)}

Ηλεκτρίστε μια μάζα από υπερψυγμένα άτομα με μαγνητικό πεδίο, και θα δείτε «κβαντικά πυροτεχνήματα»: πίδακες ατόμων που εκτοξεύονται σε φαινομενικά τυχαίες κατευθύνσεις. Οι ερευνητές υποπτεύονταν ότι μπορεί να υπάρχει κάποιο μοτίβο στα πυροτεχνήματα, αλλά δεν ήταν προφανές μόνο από την παρατήρηση. Με τη βοήθεια ενός υπολογιστή, όμως, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα σχήμα στο φαινόμενο των πυροτεχνημάτων: μια κβαντική χελώνα. Ωστόσο, κανείς δεν είναι ακόμα σίγουρος γιατί λαμβάνει αυτό το σχήμα.

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

Ένας Μικροσκοπικός Κβαντικός Υπολογιστής Γύρισε το Χρόνο Πίσω

_{(Πίστωση εικόνας: Στούντιο Αφρικής/Shutterstock)}

Ο χρόνος υποτίθεται ότι κινείται προς μία μόνο κατεύθυνση: προς τα εμπρός. Αν ρίξετε λίγο γάλα στο έδαφος, δεν υπάρχει τρόπος να στεγνώσετε τέλεια το λεκέ και να επιστρέψετε το ίδιο καθαρό γάλα πίσω στο φλιτζάνι. Μια λειτουργία κβαντικών κυμάτων που εξαπλώνεται δεν συγκεντρώνεται πάλι πίσω.

Μόνο που στην περίπτωση αυτή το έκανε. Χρησιμοποιώντας έναν μικροσκοπικό κβαντικό υπολογιστή των δύο qubit, οι φυσικοί μπόρεσαν να γράψουν έναν αλγόριθμο που θα μπορούσε να επιστρέψει κάθε κυματισμό ενός κύματος ξανά στο σωματίδιο που τον δημιούργησε – ξετυλίγοντας το γεγονός και γυρίζοντας αποτελεσματικά πίσω το βέλος του χρόνου.

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

Ένας Άλλος Κβαντικός Υπολογιστής Είδε 16 Μέλλοντα

Ένα ωραίο χαρακτηριστικό των κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι βασίζονται σε υπερθέσεις και όχι σε 1 και 0, είναι η ικανότητά τους να τρέχουν πολλαπλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα. Αυτό το πλεονέκτημα εμφανίζεται πλήρως σε μια νέα κβαντική μηχανή πρόβλεψης που δημιουργήθηκε το 2019. Προσομοιώνοντας μια σειρά συνδεδεμένων γεγονότων, οι ερευνητές που ανέπτυξαν τον κινητήρα ήταν σε θέση να κωδικοποιήσουν 16 πιθανά μέλλοντα σε ένα μόνο φωτόνιο στον κινητήρα τους. Αυτό κι αν είναι πολυδιεργασία!

Περισσότερα για το πείραμα αυτό εδώ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ΠΗΓΗ 

ΠΗΓΗ