Fizikçiler, mikro nesnelerin yaşadığı dünyanın yasalarını tanımlamak için kuantum mekaniğini yarattılar. Ancak bu yasaların o kadar gizemli ve mantığa aykırı olduğu ortaya çıktı ki bilim insanları hâlâ bunların bazı yönlerini anlayabiliyor. Fiziksel ve matematiksel bilimler adayı, Rusya Bilimler Akademisi Uygulamalı Fizik Enstitüsü'nde kıdemli araştırmacı, popüler bilim blogu physh.ru'nun yazarı Artyom Korzhimanov, kuantum süperpozisyon olgusunun incelenmesine yönelik son çalışmalardan bahsediyor.

Kuantum süperpozisyonu - kuantum mekaniğinin temeli

20. yüzyılın başlarında ortaya çıkan ve 1930'larda olgunlaşan kuantum mekaniği, artık iyi test edilmiş ve son derece başarılı bir fiziksel teoridir. Görünüşünü ona borçlu olan teknik başarılar olmadan medeniyetimiz düşünülemez. Bu metni okuduğunuz bilgisayarın, dizüstü bilgisayarın veya akıllı telefonun, kuantum mekaniği olmasaydı asla yaratılmayacağını belirtmekle yetinelim.

Ancak bilim adamları bu başarılar için ağır bir bedel ödemek zorunda kaldılar; çünkü kuantum teorisinin altında yatan ilkeler sezgilerimize o kadar aykırı ki, insanlığın en güçlü zihinleri bile onlara farklı olabilecek herhangi bir yorum yapma girişiminde bulunmak için beyaz bayrağı fırlattı. Richard Feynman'a ya da David Mermin'e atfedilen ünlü cümleden: "Kapa çeneni ve say!"

Böyle paradoksal ilkelerden biri kuantum süperpozisyon ilkesidir. Genel olarak hepimiz süperpozisyon ilkesine çok aşinayız, ancak buna günlük yaşamda böyle demeyebiliriz. Süperpozisyon genellikle basit bir gözlem olarak anlaşılır: Bir eylem bir sonuca yol açarsa ve ikinci eylem ikincisine yol açarsa, bu durumda bunların ortak eylemi her iki sonucu da üretecektir. Örneğin, siz bir elma alırsanız ve arkadaşınız da bir elma alırsa, birlikte iki elma alırsınız. Elbette süperpozisyon ilkesi her zaman yerine getirilmiyor: Mağazada satılık yalnızca bir elma kaldıysa, o zaman siz ve arkadaşınız asla iki elma satın almayacaksınız, ancak ayrı olarak bir elma satın alabilirsiniz.

Ancak kuantum süperpozisyon klasik süperpozisyondan önemli ölçüde farklıdır. Kuantum teorisinde eylemlerin değil durumların süperpozisyonundan bahsediyoruz. Örneğin, iki kutunuz varsa, o zaman elektron bunlardan birinde veya diğerinde olabilir, ancak aynı zamanda bu iki durumun süperpozisyonunda da olabileceği, yani bir anlamda her iki kutuda da olabileceği ortaya çıkar. aynı zamanda. Günlük deneyimimizle çelişen bu gerçek, yalnızca elektronlarla değil, aynı zamanda daha büyük nesnelerle, akımın aynı anda hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine aktığı oldukça makroskobik süper iletken metal halkalara kadar çeşitli deneylerde defalarca doğrulanmıştır.

Çift yarık deneyi

Kuantum süperpozisyon olgusunu gösteren klasik bir örnek, çift yarık deneyidir. Bu deney kuantum mekaniğinin anlaşılması açısından o kadar önemlidir ki ünlü fizikçi Richard Feynman, aynı derecede ünlü Feynman Fizik Dersleri'nde bunu "klasik bir şekilde açıklaması imkansız, kesinlikle, kesinlikle imkansız" bir fenomen olarak adlandırır. Bu fenomen kuantum mekaniğinin özünü içeriyor.”

Deneyimin özü nispeten basittir. Bir parçacık kaynağı olsun - bunlar ışık parçacıkları, fotonlar, elektronlar, atomlar olabilir ve yakın zamanda moleküller için bir deney yapıldı - ve bu kaynak, parçacıklara karşı opak olan bir plakayı aydınlatır. Plakada iki ince yarık açılır ve arkasında gelen parçacıkların iz bıraktığı bir ekran bulunur. Yarıklardan birini kapattığımızda ikinci yarığın karşısında ekranda az çok ince bir şerit göreceğiz. İkinci yarığı kapatıp ilkini açarsak sonuç aynı olacak ancak şerit ilk yarık karşısında görünecektir. Soru şu: Her iki yarık da aynı anda açılırsa ne olur?

Günlük sezgiler bu durumda ekranda sadece iki şerit göreceğimizi gösteriyor. Veya yarıklar birbirine yeterince yakın yerleştirilmişse, yarıkların her birinden şeritlerin basitçe üst üste getirilmesiyle elde edilen daha kalın bir şerit. Ancak 19. yüzyılın başında bu deneyi ilk gerçekleştiren Thomas Young, bambaşka bir tabloyla karşılaşınca şaşırdı. Ekranda, kalınlığı başlangıçta elde edilen şeritlerin kalınlığından daha az olan çok sayıda şerit açıkça görülüyordu. Şimdi buna girişim deseni diyoruz ve etkinin kendisine de çift yarık girişimi deniyor.

Ancak Thomas Young, tek tek parçacıklarla değil, çok sayıda parçacıkla, parlak bir ışık kaynağıyla çalıştı. Dolayısıyla gözlemleri ışığın bir dalga olduğunu kanıtlasa da dünya görüşünde gerçek bir devrim yaratmadı. Bilim insanları ışığı dalgalar olarak tanımlamaya başladılar. Ancak dalgalar için girişim olgusu doğaldır. Suya iki çakıl taşı atın; onlardan ayrılan, kesişen dairelerin oldukça karmaşık bir desen oluşturduğunu ve bu da bir girişim deseni oluşturacağını göreceksiniz.

Devrim 20. yüzyılın başında gerçekleşti. İlk önce Max Planck ve Albert Einstein'ın teorik çalışmalarında ışığın parçacıklardan oluştuğu hipotezi ortaya atıldı ve ardından İngiliz fizikçi Geoffrey Ingram Taylor, Young'ın deneyini o kadar zayıf bir ışık kaynağıyla tekrarlamayı başardı ki, tek tek fotonların gelişi ekranda tespit edilebilir. Aynı zamanda çok sayıda fotonun gelişinden sonra elde edilen girişim deseni Young'ınkiyle aynı kaldı. Böylece ışığın parçacıklardan oluştuğu, ancak bu parçacıkların dalga gibi davrandığı ortaya çıktı.

Benzer bir etkinin elektronlar (dalga özellikleri ve girişim olgusunun kesinlikle beklenmediği parçacıklar) için de öngörülmesiyle durum daha da karmaşık hale geldi. Young'ın elektron deneyinin bir benzeri yalnızca 1961'de Alman fizikçi Klaus Jonsson tarafından gerçekleştirilmiş olsa da, içlerindeki dalga özelliklerinin varlığı 1920'lerde başka yöntemlerle kanıtlandı.

Dalga-parçacık ikiliği adı verilen ortaya çıkan çelişkiyi çözmek için bilim adamları, her parçacığın, parçacığın bulunduğu duruma bağlı olan belirli bir dalgaya (buna dalga fonksiyonu denir) karşılık geldiğini varsaymak zorunda kaldılar. Örneğin, eğer bir parçacık bir yarıktan geçtiyse bu bir durumdur ve bir dalga fonksiyonuna sahiptir; eğer bir parçacık başka bir yarıktan geçtiyse o zaman farklı bir durumdadır ve farklı bir dalga fonksiyonuna sahiptir. Kuantum süperpozisyon ilkesi, iki açık yarıkla parçacığın birinci ve ikinci durumların süperpozisyon durumunda olduğunu ve buna göre dalga fonksiyonunun iki dalga fonksiyonunun toplamı olduğunu belirtir. Bu toplam bir girişim deseninin ortaya çıkmasına neden olur. Bu anlamda parçacığın her iki yarıktan da aynı anda geçtiği söylenir, çünkü yalnızca bir tanesinden geçerse girişim deseni oluşmaz.

Şaşırtıcı bir şekilde, çift yarık deneyinin kuantum fiziğinde oynadığı role rağmen birçok bilim insanı bunu tamamen doğru bir şekilde anlayamıyor. Üstelik bu yanlış açıklama kuantum mekaniğiyle ilgili çoğu ders kitabında da mevcuttur. Gerçek şu ki, bu deneydeki süperpozisyon olgusu genellikle şu şekilde açıklanmaktadır: Bir elektronun iki yarıktan geçtiği durumun dalga fonksiyonu, eğer olsaydı olacağı durumların dalga fonksiyonlarının toplamıdır. yarıklardan biri kapalıydı. Ancak bu açıklama, ikinci bir yarık açarak elektronun birinci yarıktan geçme şeklini değiştirebileceğimizi hesaba katmıyor. Elmalarla ilgili örneğe dönersek, bir arkadaşınızdan ödünç aldığınız parayla bir elma aldığınızı hayal edin, o zaman iki elma satın almak, birinizin bir elma alması kadar sorunsuz gitmeyecektir çünkü yeterli toplam paraya sahip olmayabilirsiniz. .

Üç yarık deneyi: teori

Birden fazla yarık açık olduğunda ne olduğunun özünü, başka bir yarık eklenen bir deney örneğiyle açıklamak daha kolaydır. Ek olarak, aynı Richard Feynman tarafından icat edilen kuantum fiziğinin alternatif bir tanımına geçmek de uygundur. 1940'ların sonunda, kuantum mekaniğinin o zamanlar oldukça gelişmiş olan tüm sonuçlarının, herhangi bir dalga fonksiyonu getirilmeden, ancak bir parçacığın bir noktadan diğerine olası tüm yörüngeler boyunca hareket ettiğini varsayarak elde edilebileceğini gösterdi. bir kez, ancak her yörüngenin “ağırlığı” yani nihai sonuca katkısı farklıdır ve özel kurallara göre belirlenir.

Klasiklere yakın olan yörüngeler en büyük ağırlığa sahiptir. Örneğin iki yarık olması durumunda bu tür yörüngeler aşağıdaki şekilde yeşil renkle gösterilmiştir.

Ancak başka birçok yörünge de buna katkıda bulunur ve hatta parçacığın ileri değil geri doğru hareket ettiği egzotik yörüngeler bile buna katkıda bulunur. Bunların arasında, aşağıdaki şekilde mor renkle gösterildiği gibi, yarıklardan birine girdikten sonra diğerinden geçip üçüncüden çıkanlar da var.

Bu tür klasik olmayan yörüngelerin varlığı, bir parçacığın üç yarıktan geçtikten sonraki durumunun, diğer ikisi kapalıyken her birinden ayrı ayrı geçiş durumlarının basit toplamına eşit olmaması gerçeğine yol açar. Fark elbette genellikle küçüktür, ancak öncelikle bazı zayıf etkilerle ilgileniyorsanız önemli olabilir ve ikinci olarak özel numaralara başvurarak güçlendirilebilir.

Çift yarık deneyi için süperpozisyon ilkesinin olağan açıklamasının yanlışlığına ilk dikkat çeken kişi, görünüşe göre 1986'da Japon fizikçi H. Yabuki oldu, ancak çalışmaları uzun süre fark edilmedi. Bu konuya olan modern ilgi, prestijli Physical Review A dergisinde 2012 yılında yayınlanan bir makaleyle yeniden canlandırıldı. Makalede yazarlar, elektromanyetik dalgaları örnek olarak kullanarak üç yarıkta klasik dalga girişimi durumunu incelediler. Bu alanın temelini oluşturan Maxwell denklemlerinin doğrudan sayısal simülasyonuyla, doğru cevap ile süperpozisyon ilkesinin yanlış yorumlanmasıyla elde edilen cevap arasındaki farkın gerçekçi koşullar altında yaklaşık %0,5 olduğunu gösterdiler. Ve bu değer küçük olmasına ve deneysel olarak ölçülmesi henüz mümkün olmamasına rağmen, etkinin kendisi inkar edilemez.

Ancak yine de bilim adamları bu gerçeği deneysel olarak kontrol etmek istiyorlar; bu nedenle 2014 ve 2015'te, Hindistan'dan Urbasi Sinha adlı bir kadın fizikçinin liderliğindeki aynı bilim insanı grubu, Physical Review Letters and Scientific Reports'ta iki makale yayınladılar. Parçacıkların üç yarıktan geçişine ilişkin ayrıntılı kuantum teorisi, ölçümlerin optik aralıkta olmayan elektromanyetik dalgalarla yapılması durumunda, doğru sonuç ile yanlış yorumun tahmini arasındaki tutarsızlığın etkisinin gözle görülür şekilde artırılabileceğini gösterdi; ışıklıdır, ancak mikrodalga aralığındadır - bu tür dalgalar, örneğin ev tipi mikrodalga fırınlarda, yiyecekleri ısıtmak için kullanılır.

Üç yarık deneyi: pratik

2014 yılında yayınlanan bir makaleye yorum yapan Urbasi Sinha, grubunun mikrodalgalarla deneyler yapmaya başladığını ancak sonuçlarının henüz yayınlanmadığını iddia etti. Ancak yakın zamanda, ünlü fizikçi Robert Boyd'un (örneğin, "yavaş" ışıkla bir deney gerçekleştiren ilk kişi olmasıyla ünlüdür) liderliğindeki başka bir bilim adamı grubu tarafından bir makale yayınlandı. Makale Nature Communications'da yayınlandı ve tartışılan etkiyi deneysel olarak gösterdi. Doğru, bu deneyin fikri farklıydı.

Robert Boyd ve meslektaşları, yarıklı bir plaka yakınındaki klasik olmayan yörüngelerin "ağırlığını" sözde plazmonların kullanımıyla artırmayı önerdiler. Plazmonlar, yalnızca bir metalin yüzeyi boyunca bir yarıktan diğerine ilerleyebilen "bir ip üzerindeki fotonlar" gibi bir şeydir. Bu amaçla altından yarıklı bir tabak yapılmıştır. Altın mükemmel bir iletken olduğundan özellikle güçlü plazmonlar oluşturur.

Deneyde ışık kaynağı üç yarıktan yalnızca birini ışınladı. Üstelik, eğer diğer ikisi kapalıysa, açık yarığın karşısında hafif bulanık bir şeridin tipik resmi gözlendi. Ancak diğer iki yarık açıldığında resim kökten farklıydı: Çok daha dar şeritlere sahip tipik bir girişim deseni ortaya çıktı.

Bütün bu inceliklere neden ihtiyaç duyuluyor?

Bu çalışmaların pratik sonuçları olabilir mi? Adı geçen eserlerin yazarları da bunu umuyor. Kuantum süperpozisyon olgusu, kuantum iletişimi olarak adlandırılan amaçlar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin kuantum kriptografisi buna dayanmaktadır. Kuantum bilgisayarlara, geleneksel elektronik tabanlı bilgisayarlara göre yadsınamaz avantajlar sağlayan şey, süperpozisyon olgusudur. Dolayısıyla bu yönlerde kuantum süperpozisyonunun nasıl çalıştığının doğru anlaşılması son derece önemlidir. İşte bu nedenle, üçlü yarık girişimine ilişkin araştırmaların kuantum cihazlarını çalıştırmak için yeni, daha etkili protokoller bulmamıza yardımcı olacağını umabiliriz.

1. Hans De Raedt, Kristel Michielsen ve Karl Hess, "Üç yarık deneylerinde çok yollu girişimin analizi" // Phys. Rev. A 85, 012101 (2012)
2. Rahul Sawant, Joseph Samuel, Aninda Sinha, Supurna Sinha ve Urbasi Sinha, "Kuantum Girişim Deneylerinde Klasik Olmayan Yollar" Phys. Rev. Lett. 113, 120406 (2014)
3. Michael Schirber, “Kıvrımlı Foton Yörüngeleri Tespit Edilebilir” // Fizik 7, 96 (2014)
4. Stuart Mason Dambrot, "Süperpozisyon yeniden ele alındı: Çift yarık deneyi paradoksunun Feynman yolu integral formalizmini kullanarak önerilen çözümü" // phys.org (2014-10-02)
5. Hamish Johnston, "Fotonlar üçlü yarıktan geçerek yollarını örüyor" // PhysicsWorld (2014-09-25)
6. Aninda Sinha, Aravind H. Vijay ve Urbasi Sinha, “Girişim deneylerinde süperpozisyon ilkesi üzerine” // Scientific Reports 5, 10304 (2015)
7. Omar S Magaña-Loaiza, Israel De Leon, Mohammad Mirhosseini, Robert Fickler, Akbar Safari, Uwe Mick, Brian McIntyre, Peter Banzer, Brandon Rodenburg, Gerd Leuchs & Robert W. Boyd, “Üç yarık girişiminde fotonların egzotik döngülü yörüngeleri " // Nature Communications 7, 13987 (2016)
8. Lisa Zyga, "Fizikçiler üç yarık deneyinde ışığın egzotik döngüsel yörüngelerini tespit ediyor" // phys.org

Utanarak bu ifadeyi duyduğumu ama ne anlama geldiğini, hatta hangi konuda kullanıldığını bilmediğimi itiraf etmek istiyorum. Size bu kedi hakkında internette okuduklarımı anlatayım...

« Schrödinger'in kedisi“- aynı zamanda Nobel Ödülü sahibi olan ünlü Avusturyalı teorik fizikçi Erwin Schrödinger'in ünlü düşünce deneyinin adıdır. Bilim adamı, bu hayali deneyin yardımıyla atom altı sistemlerden makroskobik sistemlere geçişte kuantum mekaniğinin eksikliğini göstermek istedi.

Erwin Schrödinger'in orijinal makalesi 1935'te yayımlandı. İşte alıntı:

Oldukça gülünç olan vakalar da oluşturabilirsiniz. Bir kedinin aşağıdaki şeytani makineyle (kedinin müdahalesine bakılmaksızın olması gereken) çelik bir odaya kilitlenmesine izin verin: Bir Geiger sayacının içinde çok az miktarda radyoaktif madde vardır, o kadar küçüktür ki, bir saatte yalnızca bir atom bozunabilir. ama aynı olasılıkla parçalanmayabilir; bu gerçekleşirse, okuma tüpü boşaltılır ve röle etkinleştirilerek, hidrosiyanik asit şişesini kıran çekici serbest bırakır.

Tüm bu sistemi bir saatliğine kendi haline bırakırsak, atom parçalanmadığı sürece kedinin bu saatten sonra hayatta olacağını söyleyebiliriz. Atomun ilk parçalanması kediyi zehirler. Sistemin bir bütün olarak psi işlevi, bunu canlı ve ölü bir kediyi (ifadeyi bağışlayın) eşit parçalar halinde karıştırarak veya bulaştırarak ifade edecektir. Bu tür durumlarda tipik olan şey, başlangıçta atom dünyasıyla sınırlı olan belirsizliğin, doğrudan gözlemle ortadan kaldırılabilecek makroskobik belirsizliğe dönüşmesidir. Bu, "bulanıklık modelinin" gerçeği yansıttığını safça kabul etmemizi engelliyor. Bu kendi başına belirsiz veya çelişkili bir şey anlamına gelmez. Bulanık veya odak dışı bir fotoğraf ile bulut veya sis fotoğrafı arasında fark vardır.

Başka bir deyişle:

1. Bir kutu ve bir kedi var. Kutu, radyoaktif bir atom çekirdeği ve bir zehirli gaz kabı içeren bir mekanizma içerir. Deneysel parametreler, 1 saat içinde nükleer bozunma olasılığı %50 olacak şekilde seçilmiştir. Çekirdek parçalanırsa gaz dolu bir kap açılır ve kedi ölür. Çekirdek çürümezse kedi hayatta ve sağlıklı kalır.
2. Kediyi bir kutuya kapatıyoruz, bir saat bekleyip şu soruyu soruyoruz: Kedi canlı mı ölü mü?
3. Kuantum mekaniği bize atom çekirdeğinin (ve dolayısıyla kedinin) aynı anda tüm olası durumlarda olduğunu söylüyor gibi görünüyor (bkz. kuantum süperpozisyonu). Kutuyu açmadan önce kedi-çekirdek sistemi %50 olasılıkla “çekirdek çürümüş, kedi ölmüş” durumunda ve %50 olasılıkla “çekirdek çürümemiş, kedi yaşıyor” durumundadır. olasılık %50. Kutunun içinde oturan kedinin aynı anda hem canlı hem de ölü olduğu ortaya çıktı.
4. Modern Kopenhag yorumuna göre kedi herhangi bir ara durumu olmaksızın canlı/ölüdür. Ve çekirdeğin bozunma durumunun seçimi, kutunun açıldığı anda değil, çekirdek dedektöre girdiğinde bile gerçekleşir. Çünkü “kedi-dedektör-çekirdek” sisteminin dalga fonksiyonunun indirgenmesi, kutunun insan gözlemcisi ile değil, çekirdeğin dedektör-gözlemcisi ile ilişkilidir.

Kuantum mekaniğine göre, eğer bir atomun çekirdeği gözlemlenmezse, durumu iki durumun bir karışımı ile tanımlanır - bozunmuş bir çekirdek ve çürümemiş bir çekirdek, dolayısıyla bir kutuda oturan ve bir atomun çekirdeğini kişileştiren bir kedi. aynı anda hem canlı hem de ölüdür. Kutu açılırsa deneyci yalnızca belirli bir durumu görebilir: "çekirdek çürümüş, kedi ölmüş" veya "çekirdek çürümemiş, kedi yaşıyor."

İnsan dilindeki öz: Schrödinger'in deneyi, kuantum mekaniği açısından kedinin hem canlı hem ölü olduğunu, bunun olamayacağını gösterdi. Bu nedenle kuantum mekaniğinin önemli kusurları vardır.

Soru şudur: Bir sistem ne zaman iki durumun karışımı olarak var olmaktan çıkar ve belirli bir durumu seçer? Deneyin amacı, kuantum mekaniğinin, hangi koşullar altında dalga fonksiyonunun çöktüğünü ve kedinin ya öldüğünü ya da hayatta kaldığını ancak artık her ikisinin bir karışımı olmadığını belirten bazı kurallar olmadan eksik olduğunu göstermektir. Bir kedinin ya canlı ya da ölü olması gerektiği açık olduğundan (yaşam ile ölüm arasında bir ara durum yoktur), atom çekirdeği için de aynı durum geçerli olacaktır. Ya çürümüş ya da çürümemiş olmalıdır (Wikipedia).

Schrödinger'in düşünce deneyinin daha yeni bir yorumu da Büyük Patlama Teorisi'nin kahramanı Sheldon Cooper'ın daha az eğitimli komşusu Penny'ye anlattığı bir hikayedir. Sheldon'ın öyküsünün amacı, Schrödinger'in kedisi kavramının insan ilişkilerine uygulanabilmesidir. Bir erkek ile bir kadın arasında neler olduğunu, aralarında nasıl bir ilişki olduğunu anlamak için: iyi ya da kötü, kutuyu açmanız yeterli. O zamana kadar ilişki hem iyi hem de kötüdür.

Aşağıda Sheldon ve Penia arasındaki bu Big Bang Theory alışverişinin video klibi var.

Schrödinger'in çizimi kuantum fiziğinin ana paradoksunu tanımlayan en iyi örnektir: kanunlarına göre elektronlar, fotonlar ve hatta atomlar gibi parçacıklar aynı anda iki durumda bulunur (hatırlarsanız "canlı" ve "ölü"). uzun süredir acı çeken kedi). Bu durumlara süperpozisyon denir.

Arkansas Üniversitesi'nden (Arkansas Eyalet Üniversitesi) Amerikalı fizikçi Art Hobson, bu paradoksa çözümünü önerdi.

“Kuantum fiziğindeki ölçümler, mikroskobik sistemlerin (atomlar, fotonlar ve elektronlar) kuantum durumunun belirlendiği Geiger sayacı gibi belirli makroskobik cihazların çalışmasına dayanır. Kuantum teorisi, mikroskobik bir sistemi (parçacığı), sistemin iki farklı durumunu ayırt eden makroskobik bir cihaza bağlarsanız, o zaman cihazın (örneğin Geiger sayacı) kuantum dolanıklık durumuna gireceğini ve aynı zamanda kendisini iki durumda bulacağını ima eder. Aynı anda süperpozisyonlar. Ancak bu fenomeni doğrudan gözlemlemek imkansız, bu da onu kabul edilemez kılıyor” diyor fizikçi.

Hobson, Schrödinger'in paradoksunda kedinin, radyoaktif bir çekirdeğe bağlanan ve o çekirdeğin bozunma veya "bozunmama" durumunu belirleyen makroskobik bir cihaz, bir Geiger sayacı rolünü oynadığını söylüyor. Bu durumda yaşayan bir kedi “çürümemenin” göstergesi, ölü bir kedi ise çürümenin göstergesi olacaktır. Ancak kuantum teorisine göre kedinin de çekirdek gibi yaşam ve ölümün iki süperpozisyonunda var olması gerekir.

Bunun yerine, fizikçiye göre kedinin kuantum durumu, atomun durumuyla dolanık olmalı, bu da kedilerin birbirleriyle "yerel olmayan bir bağlantı" içinde oldukları anlamına geliyor. Yani, dolanık nesnelerden birinin durumu aniden tersine değişirse, birbirlerinden ne kadar uzakta olursa olsun çiftinin durumu da değişecektir. Hobson aynı zamanda bu kuantum teorisinin deneysel olarak doğrulanmasından da söz ediyor.

“Kuantum dolaşıklık teorisinin en ilginç yanı, her iki parçacığın durumundaki değişikliğin anında gerçekleşmesidir: hiçbir ışık veya elektromanyetik sinyalin bir sistemden diğerine bilgi iletmeye zamanı olmaz. Yani aralarındaki mesafe ne kadar büyük olursa olsun, onun uzay tarafından iki parçaya bölünmüş bir nesne olduğunu söyleyebilirsiniz," diye açıklıyor Hobson.

Schrödinger'in kedisi artık aynı anda hem canlı hem de ölü değil. Parçalanma meydana gelirse ölmüştür, parçalanma hiç olmazsa diridir.

Bu paradoksa benzer çözümlerin son otuz yılda üç grup bilim adamı tarafından daha önerildiğini ancak bunların ciddiye alınmadığını ve geniş bilim çevrelerinde gözden kaçırıldığını da ekleyelim. Hobson, kuantum mekaniğinin paradokslarını en azından teorik olarak çözmenin, onun derinlemesine anlaşılması için kesinlikle gerekli olduğunu belirtiyor.

Schrödinger

Ancak kısa bir süre önce TEORİSTLER YERÇEKİMİNİN SCHRODINGER'İN KEDİSİNİ NASIL ÖLDÜRDÜĞÜNÜ AÇIKLADI, ancak bu daha karmaşık...

Kural olarak fizikçiler, parçacıklar dünyasında süperpozisyonun mümkün olduğu, ancak kediler veya diğer makro nesnelerde çevrenin müdahalesi nedeniyle imkansız olduğu olgusunu açıklıyorlar. Bir kuantum nesnesi bir alandan geçtiğinde veya rastgele parçacıklarla etkileşime girdiğinde, sanki ölçülmüş gibi hemen tek bir durumu varsayar. Bilim adamlarının inandığı gibi, süperpozisyon tam olarak bu şekilde yok ediliyor.

Ancak süperpozisyon durumundaki bir makro nesneyi diğer parçacıklar ve alanlarla olan etkileşimlerden izole etmek bir şekilde mümkün hale gelse bile, er ya da geç yine de tek bir duruma bürünecektir. En azından bu, Dünya yüzeyinde meydana gelen süreçler için geçerlidir.

“Yıldızlararası uzayda bir yerde belki bir kedinin kuantum tutarlılığını koruma şansı olabilir, ancak Dünya'da veya herhangi bir gezegenin yakınında bu son derece düşük bir ihtimal. Ve bunun nedeni yerçekimidir," diye açıklıyor yeni çalışmanın baş yazarı, Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'nden Igor Pikovski.

Viyana Üniversitesi'nden Pikovsky ve meslektaşları, yerçekiminin makro nesnelerin kuantum süperpozisyonları üzerinde yıkıcı bir etkiye sahip olduğunu ve bu nedenle makrokozmosta benzer fenomenleri gözlemlemediğimizi savunuyorlar. Bu arada, yeni hipotezin temel konsepti “Interstellar” adlı uzun metrajlı filmde kısaca özetleniyor.

Einstein'ın genel görelilik teorisi, son derece büyük bir nesnenin etrafındaki uzay-zamanı bükeceğini belirtir. Durumu daha küçük düzeyde ele aldığımızda, Dünya yüzeyine yakın bir yerde bulunan bir molekül için zamanın, gezegenimizin yörüngesinde yer alan bir moleküle göre biraz daha yavaş akacağını söyleyebiliriz.

Yerçekiminin uzay-zaman üzerindeki etkisi nedeniyle, bu etkiden etkilenen bir molekül, konumunda bir sapma yaşayacaktır. Ve bu da onun iç enerjisini - molekül içindeki parçacıkların zamanla değişen titreşimlerini - etkilemelidir. Eğer bir molekül iki konumun kuantum süperpozisyonu durumuna getirilirse, o zaman konum ile iç enerji arasındaki ilişki, molekülü çok geçmeden uzaydaki iki konumdan yalnızca birini "seçmeye" zorlayacaktır.

Pikovsky, "Çoğu durumda eşevresizlik olgusu dış etkilerle ilişkilidir, ancak bu durumda parçacıkların iç titreşimi molekülün kendi hareketi ile etkileşime girer" diye açıklıyor.

Bu etki henüz gözlemlenmedi çünkü manyetik alanlar, termal radyasyon ve titreşimler gibi diğer eşevresizlik kaynakları genellikle çok daha güçlüdür ve kuantum sistemlerinin yerçekiminden çok önce yok olmasına neden olur. Ancak deneyciler hipotezi test etmeye çalışıyorlar.

Benzer bir kurulum, yerçekiminin kuantum sistemlerini yok etme yeteneğini test etmek için de kullanılabilir. Bunu yapmak için, dikey ve yatay interferometreleri karşılaştırmak gerekecektir: birincisinde, yolun farklı "yüksekliklerinde" zaman genişlemesi nedeniyle süperpozisyon kısa süre içinde ortadan kaybolmalıdır, ikincisinde ise kuantum süperpozisyon kalabilir.

Kuantum dünyası bizimkinden çok uzakta, dolayısıyla yasaları bize sıklıkla tuhaf ve mantıksız geliyor. Bununla birlikte, kuantum fiziğinden önemli haberler kelimenin tam anlamıyla her gün geliyor, bu yüzden artık bunları doğru bir şekilde anlamak gerekiyor - aksi takdirde, bizim gözümüzde fizikçilerin çalışmaları bilimden büyüye dönüşür ve mitlerle büyümüş hale gelir. Kuantum bilgisayarlardan, mekansızlıktan ve kuantum ışınlanmasından zaten bahsetmiştik. Bugün başka bir gizemli kuantum olgusundan, tutarlılıktan bahsedeceğiz. Rusya Kuantum Merkezi'nde kıdemsiz araştırmacı olan Alexey Fedorov bundan bahsediyor.

Tutarlılık nedir? Klasik fizikten iyi bir benzetme var mı?

Tutarlılık kavramı ilk olarak klasik fizikte salınımlar söz konusu olduğunda ortaya çıkar. Klasik tutarlılık, aynı frekanstaki iki veya daha fazla dalga süreci arasındaki göreceli fazın sabitliğidir. Tutarlılık hakkında konuştuklarında, her zaman girişimi hatırlarlar - uzayda belirli bir noktada çeşitli tutarlı kaynaklardan gelen toplam enerji akışının, her bir kaynaktan gelen enerji akışlarının doğrudan eklenmesiyle değil, biraz daha karmaşık bir şekilde elde edildiği bir etki. yol. Resmi olarak konuşursak, her kaynaktan gelen dalgayı tanımlayan karmaşık genlikleri toplamanız, ardından ortaya çıkan karmaşık sayının modülünü almanız ve bunun karesini almanız gerekir (belirli bir katsayı ile, böylece her şey boyutlara uygun olur).

Yoğunluklar yerine karmaşık genlikler toplanarak, uzaysal yoğunluk profilinde tanıdık oluşturulur. Bir girişim işareti olan, dalga sürecinin ortaya çıkan yoğunluğu ile bileşenlerinin yoğunluklarının toplamı arasındaki farktır.

Şimdi kuantum mekaniğine geçelim. Kuantum mekaniğinin temel hükümlerinden biri mikroskobik parçacıkların davranışlarında dalga özellikleri sergilemeleridir. Ancak klasik fizikte örneğin elektromanyetik alan kuvvetine sahip dalgalardan bahsettiysek, mikroskobik parçacıklar için de "dalga fonksiyonu" olarak da bilinen karmaşık "olasılık genlikleri" ile tanımlanan olasılık dalgalarından bahsediyoruz. Schrödinger denkleminde yer alan fikir budur.

Olasılık dalgaları da diğer dalgalar gibi, dalgaların üst üste binme olasılığıyla ilişkili aynı etkilerle karakterize edilir. Kuantum mekaniğinde bu süperpozisyona (tutarlı) süperpozisyon denir. Kırınım ve girişimin “kuantum” etkilerine yol açan şey süperpozisyondur.

Kuantum sistemleri, (klasik bakış açısından) birbirini dışlayan durumların bir süperpozisyonu olsa bile, durumların tutarlı bir süperpozisyonunda olabilir. Kuantum yasalarının klasik dünyaya doğrudan uygulanması paradoksal durumlara yol açar; bunlardan en ünlüsü Schrödinger'in kedisidir. Evet, Schrödinger kutuya erkek bir kedi değil, bir kedi (die Katze) koymak istiyordu.

Kuantum hesaplama için tutarlılık neden gereklidir?

Kuantum tutarlılığı, kuantum paralelliğinin gerçekleştirilmesini mümkün kılar. Kuantum bilgisayarların mimarisi, klasik hesaplama mimarisinden birkaç önemli açıdan farklılık gösterir (bu, kuantum alfabesinde zaten tartışılmıştır, ancak temel bilgiler gereksiz olmayacaktır).

Bit sisteminin yerini başlangıç ​​durumundaki kübit sistemi alıyor. Mantıksal işlemler klasik mantık elemanları tarafından değil, bunların kuantum analogları tarafından gerçekleştirilir. Böylece, bir kuantum bilgisayarda, giriş sinyallerinin tam bir seti (tutarlı süperpozisyon), bir kuantum mantık elemanından (“kapı”) aynı anda geçebilir ve karşılık gelen çıkış sinyallerinin süperpozisyonunu verebilir. Bu, örneğin çarpanlara ayırma problemi gibi bazı problem sınıflarında kuantum hesaplamanın klasik hesaplamalara göre avantajını sağlar.

Doğru, burada bir incelik var: Kuantum bilgisayarı hesaplamalarını tamamladıktan sonra çözdüğü problemlerin cevapları da süperpozisyon halinde olacak. Bu cevapların ne olduğunu bulmaya çalıştığımızda, rastgele seçilmiş tek bir cevap elde edeceğiz. Ancak hesaplamaları defalarca yaptıktan sonra makul bir olasılıkla cevaptan bahsedebiliriz.

Kuantum bilgisayarının belirli problem sınıflarında klasik bilgisayara göre avantajı vardır. Bu bir yandan uygulamalarını sınırlıyor ve klasik kişisel bilgisayarımızın yerini alamayabileceğini gösteriyor. Bununla birlikte, bu tür varsayımlarda bulunurken, bilgisayar çağının başlangıcında dünyanın yalnızca beş bilgisayara ihtiyaç duyduğunun kabul edildiğini hatırlamakta fayda var.

Ek olarak, bir kuantum bilgisayarın klasik bilgisayardan daha iyi işleyebileceği görev sınıfı, kriptografi ve bilgi güvenliği hakkındaki modern fikirlerin temelini oluşturur. Yani kuantum bilgisayarın olası ortaya çıkışı, bilgi teknolojisindeki kuralları zaten değiştiriyor.

Eşevresizlik nedir, hangi süreçler buna yol açabilir?

Klasik fizikte eşevresizlik olgusu da mevcuttur. Eşevresizlik - tutarlılığın ihlali - kaynaklar arasındaki göreceli fazın sabitliğinin kaybıyla ilişkili tutarlı özelliklerin ortadan kalkmasıdır; bu, örneğin yukarıda tartıştığımız girişim modelinin tahrip olmasına yol açar.

Kuantum mekaniğinde her şey daha karmaşık ve çok daha ilginçtir. Eşevresizlik, bir kuantum sisteminin, sistemin kuantum durumunun kontrolsüz bir şekilde değiştiği çevresi ile etkileşimidir. Kuantum bilgi teorisi açısından bakıldığında eşevresizlik, kuantum durumunun serbestlik dereceleri ile ortamın serbestlik dereceleri arasındaki dolaşıklığın ortaya çıkmasına karşılık gelir.

Bu durumda kuantum nesnesine ilişkin bilgilerin bir kısmı ortama girerken, çevreye ilişkin bilgilerin bir kısmı da kuantum sistemine girer. Uyumsuzluk, çevre durumunun belirsizliğinin kaosunun kuantum sisteminin durumuna girerek onu kontrol edilemeyen bir şekilde değiştirmesi nedeniyle ortaya çıkar.

Bunu Jung'un ünlü deneyinin örneğini kullanarak ele alalım: İki yarıklı bir ekrana "kuantum makineli tüfek" ile parçacıklar fırlatacağız. Ekranın arkasına bir elektron dedektörü yerleştirirsek girişim deseni görürüz. Jung'un deneyinde, parçacığın iki yarıktan hangisinden geçtiğine dair bilgi çevreye girdiğinde girişim ortadan kalkıyor. Bunun nedeni hem özel bir deney düzeneğinin varlığı (örneğin, her bir yarığı aydınlatan "el fenerleri") hem de deneyi yapanlar tarafından kontrol edilemeyen olaylar olabilir. Görünüşe göre bu bir mucize, ama hayır - bu, kuantum sisteminin bir gözlemciyle "etkileşimi".

Makroskobik olanlar da dahil olmak üzere tüm nesnelerin davranışını kuantum mekaniği açısından ele alırsak, uyumsuzluk, belirli bir kuantum nesnesi ile çevresi arasındaki dolaşıklığın ortaya çıkmasına karşılık gelir. Eşevresizlikten dolayı kedilerin aynı anda zıt yönlere koştuğunu görmüyoruz.

Eşevresizliğin meydana geldiği nasıl belirlenir?

Eşevresizlik, örneğin girişim deseninin kaybolmasıyla tespit edilebilir. Çok basit bir "Welcher Weg" deneyi var ("hangi yol"). Burada, esasen, fotonların ya içinden geçtiği (buna "yol 1" diyelim) ya da yansıtıldığı (buna "yol 2" diyelim) bir ışın bölücüye foton gönderiyoruz. Daha sonra aynaları kullanarak iki yolu, her birinin çıkışında tek bir foton detektörünün bulunduğu başka bir ışın ayırıcıda birleştiriyoruz.

Örneğin, bu deneyde interferometre (yani yol uzunlukları arasındaki ilişki), başlangıçta tüm fotonların çıkış ışın ayırıcısının iki yönünden birinde kesin olarak çıkacağı şekilde yapılandırılmışsa. Eşevresizlik sırasında, yani. Yollar arasındaki tutarlı süperpozisyon durumu bozulursa, iki yönün her birinde 1/2 olasılıkla çıkacaklardır.

Bir kuantum bilgisayarın belirli bir işlemi gerçekleştirdiğini ve uyumsuzluğun meydana geldiğini varsayalım (örneğin, Shor'un algoritmasını yürütmenin ortasında veya daha basit bazı işlemler). Hesaplamanın sonucu ne olacak, tamamen tutarlı kübitlerdeki hesaplamadan ne kadar farklı olacak?

Eşevresizlik, çıkış kuantum kaydında çarpık bir hesaplama sonucuna (bu da çalıştırmadan çalıştırmaya değişebilir) yol açacaktır. Örneğin, 15 sayısının uygulanmasının bir sonucu olarak, tutarlı bir şekilde 3 ve 5 elde etmeyeceğiz, ancak bazı olasılıkla 3 ve 5 ve bazı olasılıkla her türlü başka sonuç (2 ve 4, 3 ve 6, vb.) )

Uyumsuzlukla nasıl başa çıkılır? Herhangi bir örnek verebilir misiniz? Çoklu kubit sistemlerde tutarlılığı korumak daha mı zor?

Uyumsuzlukla mücadele etmek için çevresel kontrole ihtiyaç vardır, çünkü en ufak bir çevresel etki bile uyumsuzluğa yol açabilir. Bu nedenle kuantum süperpozisyonlarını incelemek için onları ortamdan dikkatlice izole etmek gerekir.

İlginç bir şekilde, ikinci durum kuantum sensörü kavramının ortaya çıkmasına neden oldu: Kuantum durumları dış etkilere karşı çok hassas olduğundan, bu onların ultra hassas ölçümler gerçekleştirmek için kullanılabileceği anlamına gelir. Son zamanlarda, NV merkezlerinde bir kuantum sensörü kullanılarak tek bir nörondan gelen sinyal ölçüldü.

Uygulamada, uyumsuzlukla mücadele etmek için düşük sıcaklıklar ve çevresel parametrelerde yavaş yavaş değişen dalgalanmalara yönelik çeşitli dengeleme planları kullanılır. Örneğin, bilim insanları "dönme yankısı" ile yapılan deneylerde eşevresizliği tersine çevirmeyi öğrendiler (bununla ilgili daha fazlası aşağıda).

Multiqubit sistemlerde, kübitlerin birbirlerini "duyması" ve birbirleriyle "konuşması" ile aynı zamanda çevrelerini "duymaması" ihtiyacını dengelemek daha zordur. Bunun için temel bir fiziksel sınırlama yoktur ancak böyle bir sorunu çözmenin yolunda bir takım teknolojik zorluklar vardır.

Modern kübitlerde tutarlılık ne kadar sürer?

Son zamanlarda Maryland Üniversitesi'ndeki bilim adamları, elektromanyetik tuzaklardaki (yaklaşık N+1) iterbiyum iyonlarını temel alan beş kübitlik bir cihaz inşa ettiler. Özellikle en güncel çalışmalardan biri olan bu eserde bu süreler saniye mertebesindedir.

Bu değer kuantum bilgisayar konseptinin gereksinimlerini nasıl karşılıyor?

Tutarlılık süresinin, hata hesaplama ve düzeltmenin gerçekleştiği süreyi aşması gerekir. Bu nedenle, ulaşılabilir tutarlılık süresi hesaplamaları gerçekleştirmek için yeterlidir. Ancak bu, tam teşekküllü ve evrensel bir kuantum bilgisayarı yapmak için henüz yeterli değil, çünkü bu, uzun süreli hafıza ve tutarlılık süresinin daha uzun olması gereken diğer unsurları gerektirir. Bir başka ilginç yaklaşım ise hataya dayanıklı topolojik kuantum hesaplamanın geliştirilmesidir.

Eşevresizlik ile dalga fonksiyonu çöküşü arasındaki ilişki nedir? Aynı şeyden mi bahsediyorlar?

Bunlar "iyi polis" ve "kötü polis"tir.

Bu süreçlerin her ikisinin de özü, kuantum sisteminin durumu hakkındaki bilgilerin çevreye sızmasıdır. İnsanlar tutarsızlıktan bahsettiğinde, süreç nispeten pürüzsüz ve zaman içinde genişliyor gibi görünüyor - tıpkı iyi bir polis memurunun sorgulanması gibi. Çökme durumunda bunun neredeyse anında ve şiddetli olması gerekir; şeytani polisin yanıtlara hemen ihtiyacı vardır. Ve kuantum sistemimizde bundan sonra ne olacağı önemli değil.

Genellikle ölçüm anında dalga fonksiyonunun çöküşünden bahsederler, ancak aslında ölçüm eşevresizliğin düzenlenmiş bir versiyonudur; burada çevrenin rolü, kuantum sistemi hakkında bilgi ileten bir ölçüm cihazı tarafından üstlenilir. makroskobik seviye (nispeten konuşursak, iğnenin sapmasına kadar). Dalga fonksiyonunun çöküşünün eşevresizliğin sınırlayıcı bir durumunu temsil ettiği de söylenebilir.

Uyumsuzluğu biraz kırıp sonra eski yerine döndürmek mümkün mü?

Eşevresizlik sürecinin doğasına bağlı olarak, eşevresizliği tersine çevirmek için çevre tarafından kuantum sistemi hakkında bilinen bilgilerin kuantum sistemine geri döndürülmesinin gerekli olduğu açıktır; makroskobik ortamın onu “unutması” gerekiyor. Genel olarak bu çok zordur, çünkü bu bilginin saklanabileceği çok fazla serbestlik derecesi olması ve hepsinin kendi aralarında hızlı bir şekilde değiş tokuş etmesi nedeniyle bilgi sızıntısı süreci geri döndürülemez. Bu nedenle her şeyi yerine geri döndürmek için çevreyi yeterince iyi kontrol etmeniz gerekiyor. Genel olarak her şey insanlarla aynıdır.

Bununla birlikte, prensip olarak, eşevresizliği tersine çevirecek bir hile, örneğin "dönme yankısı" adı verilen bir deneyde mümkündür. Özü, bir kuantum sisteminin (örneğin nükleer spin) evrim zamanının, dış koşullardaki (manyetik alan) karakteristik değişikliklerin zamanından çok daha az olmasıdır. Özel bir işlem dizisi kullanarak kuantum sistemi hakkındaki bilgi sızıntısı sürecini tersine çevirmek mümkündür.

Hazırlayan: Vladimir Korolev ve Andrey Konyaev

Fizikçiler, mikro nesnelerin yaşadığı dünyanın yasalarını tanımlamak için kuantum mekaniğini yarattılar. Ancak bu yasaların o kadar gizemli ve mantığa aykırı olduğu ortaya çıktı ki bilim insanları hâlâ bunların bazı yönlerini anlayabiliyor. Fiziksel ve Matematiksel Bilimler Adayı, Rusya Bilimler Akademisi Uygulamalı Fizik Enstitüsü'nde kıdemli araştırmacı ve popüler bir bilim blogunun yazarı Artyom Korzhimanov, kuantum süperpozisyon olgusunun incelenmesine yönelik son çalışmalardan bahsediyor.

Kuantum süperpozisyonu - kuantum mekaniğinin temeli

20. yüzyılın başlarında ortaya çıkan ve 1930'larda olgunlaşan kuantum mekaniği, artık iyi test edilmiş ve son derece başarılı bir fiziksel teoridir. Görünüşünü ona borçlu olan teknik başarılar olmadan medeniyetimiz düşünülemez. Bu metni okuduğunuz bilgisayarın, dizüstü bilgisayarın veya akıllı telefonun, kuantum mekaniği olmasaydı asla yaratılmayacağını belirtmekle yetinelim.

Ancak bilim adamları bu başarılar için ağır bir bedel ödemek zorunda kaldılar; çünkü kuantum teorisinin altında yatan ilkeler sezgilerimize o kadar aykırı ki, insanlığın en güçlü zihinleri bile onlara farklı olabilecek herhangi bir yorum yapma girişiminde bulunmak için beyaz bayrağı fırlattı. Richard Feynman'a ya da David Mermin'e atfedilen ünlü cümleden: "Kapa çeneni ve say!"

Böyle paradoksal ilkelerden biri kuantum süperpozisyon ilkesidir. Genel olarak hepimiz süperpozisyon ilkesine çok aşinayız, ancak buna günlük yaşamda böyle demeyebiliriz. Süperpozisyon genellikle basit bir gözlem olarak anlaşılır: Bir eylem bir sonuca yol açarsa ve ikinci eylem ikincisine yol açarsa, bu durumda bunların ortak eylemi her iki sonucu da üretecektir. Örneğin, siz bir elma alırsanız ve arkadaşınız da bir elma alırsa, birlikte iki elma alırsınız. Elbette süperpozisyon ilkesi her zaman yerine getirilmiyor: Mağazada satılık yalnızca bir elma kaldıysa, o zaman siz ve arkadaşınız asla iki elma satın almayacaksınız, ancak ayrı olarak bir elma satın alabilirsiniz.

Ancak kuantum süperpozisyon klasik süperpozisyondan önemli ölçüde farklıdır. Kuantum teorisinde eylemlerin değil durumların süperpozisyonundan bahsediyoruz. Örneğin, iki kutunuz varsa, o zaman elektron bunlardan birinde veya diğerinde olabilir, ancak aynı zamanda bu iki durumun süperpozisyonunda da olabileceği, yani bir anlamda her iki kutuda da olabileceği ortaya çıkar. aynı zamanda. Günlük deneyimimizle çelişen bu gerçek, yalnızca elektronlarla değil, aynı zamanda daha büyük nesnelerle, akımın aynı anda hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine aktığı oldukça makroskobik süper iletken metal halkalara kadar çeşitli deneylerde defalarca doğrulanmıştır.

Çift yarık deneyi

Kuantum süperpozisyon olgusunu gösteren klasik bir örnek, çift yarık deneyidir. Bu deney kuantum mekaniğinin anlaşılması açısından o kadar önemlidir ki ünlü fizikçi Richard Feynman, aynı derecede ünlü Feynman Fizik Dersleri'nde bunu "klasik bir şekilde açıklaması imkansız, kesinlikle, kesinlikle imkansız" bir fenomen olarak adlandırır. Bu fenomen kuantum mekaniğinin özünü içeriyor.”

Deneyimin özü nispeten basittir. Bir parçacık kaynağı olsun - bunlar ışık parçacıkları, fotonlar, elektronlar, atomlar olabilir ve yakın zamanda moleküller için bir deney yapıldı - ve bu kaynak, parçacıklara karşı opak olan bir plakayı aydınlatır. Plakada iki ince yarık açılır ve arkasında gelen parçacıkların iz bıraktığı bir ekran bulunur. Yarıklardan birini kapattığımızda ikinci yarığın karşısında ekranda az çok ince bir şerit göreceğiz. İkinci yarığı kapatıp ilkini açarsak sonuç aynı olacak ancak şerit ilk yarık karşısında görünecektir. Soru şu: Her iki yarık da aynı anda açılırsa ne olur?

Günlük sezgiler bu durumda ekranda sadece iki şerit göreceğimizi gösteriyor. Veya yarıklar birbirine yeterince yakın yerleştirilmişse, her bir yarıktan şeritlerin basitçe üst üste getirilmesiyle elde edilen daha kalın bir şerit. Ancak 19. yüzyılın başında bu deneyi ilk gerçekleştiren Thomas Young, bambaşka bir tabloyla karşılaşınca şaşırdı. Ekranda, kalınlığı başlangıçta elde edilen şeritlerin kalınlığından daha az olan çok sayıda şerit açıkça görülüyordu. Şimdi buna girişim deseni diyoruz ve etkinin kendisine de çift yarık girişimi deniyor.

Ancak Thomas Young, tek tek parçacıklarla değil, çok sayıda parçacıkla, parlak bir ışık kaynağıyla çalıştı. Dolayısıyla gözlemleri ışığın bir dalga olduğunu kanıtlasa da dünya görüşünde gerçek bir devrim yaratmadı. Bilim insanları ışığı dalgalar olarak tanımlamaya başladılar. Ancak dalgalar için girişim olgusu doğaldır. Suya iki çakıl taşı atın ve onlardan ayrılan, kesişen dairelerin oldukça karmaşık bir desen oluşturduğunu ve bu da bir girişim deseni oluşturacağını göreceksiniz.

Devrim 20. yüzyılın başında gerçekleşti. İlk önce Max Planck ve Albert Einstein'ın teorik çalışmalarında ışığın parçacıklardan oluştuğu hipotezi ortaya atıldı ve ardından İngiliz fizikçi Geoffrey Ingram Taylor, Young'ın deneyini o kadar zayıf bir ışık kaynağıyla tekrarlamayı başardı ki, tek tek fotonların gelişi ekranda tespit edilebilir. Aynı zamanda çok sayıda fotonun gelişinden sonra elde edilen girişim deseni Young'ınkiyle aynı kaldı. Böylece ışığın parçacıklardan oluştuğu, ancak bu parçacıkların dalga gibi davrandığı ortaya çıktı.

Benzer bir etkinin elektronlar (dalga özellikleri ve girişim olgusunun kesinlikle beklenmediği parçacıklar) için de öngörülmesiyle durum daha da karmaşık hale geldi. Young'ın elektron deneyinin bir benzeri yalnızca 1961'de Alman fizikçi Klaus Jonsson tarafından gerçekleştirilmiş olsa da, içlerindeki dalga özelliklerinin varlığı 1920'lerde başka yöntemlerle kanıtlandı.

Dalga-parçacık ikiliği adı verilen ortaya çıkan çelişkiyi çözmek için bilim adamları, her parçacığın, parçacığın bulunduğu duruma bağlı olan belirli bir dalgaya (buna dalga fonksiyonu denir) karşılık geldiğini varsaymak zorunda kaldılar. Örneğin, eğer bir parçacık bir yarıktan geçtiyse bu bir durumdur ve bir dalga fonksiyonuna sahiptir; eğer bir parçacık başka bir yarıktan geçtiyse o zaman farklı bir durumdadır ve farklı bir dalga fonksiyonuna sahiptir. Kuantum süperpozisyon ilkesi, iki açık yarıkla parçacığın birinci ve ikinci durumların süperpozisyon durumunda olduğunu ve buna göre dalga fonksiyonunun iki dalga fonksiyonunun toplamı olduğunu belirtir. Bu toplam bir girişim deseninin ortaya çıkmasına neden olur. Bu anlamda parçacığın her iki yarıktan da aynı anda geçtiği söylenir, çünkü yalnızca bir tanesinden geçerse girişim deseni oluşmaz.

Şaşırtıcı bir şekilde, çift yarık deneyinin kuantum fiziğinde oynadığı role rağmen birçok bilim insanı bunu tamamen doğru bir şekilde anlayamıyor. Üstelik bu yanlış açıklama kuantum mekaniğiyle ilgili çoğu ders kitabında da mevcuttur. Gerçek şu ki, bu deneydeki süperpozisyon olgusu genellikle şu şekilde açıklanmaktadır: Bir elektronun iki yarıktan geçtiği durumun dalga fonksiyonu, eğer olsaydı olacağı durumların dalga fonksiyonlarının toplamıdır. yarıklardan biri kapalıydı. Ancak bu açıklama, ikinci bir yarık açarak elektronun birinci yarıktan geçme şeklini değiştirebileceğimizi hesaba katmıyor. Elma örneğine dönersek, bir arkadaşınızdan ödünç aldığınız parayla bir elma aldığınızı hayal edin, o zaman iki elma satın almak, birinizin bir elma alması kadar sorunsuz gitmeyecektir çünkü toplam para size yeterli olmayabilir. .

Üç yarık deneyi: teori

Birden fazla yarık açık olduğunda ne olduğunun özünü, başka bir yarık eklenen bir deney örneğiyle açıklamak daha kolaydır. Ek olarak, aynı Richard Feynman tarafından icat edilen kuantum fiziğinin alternatif bir tanımına geçmek de uygundur. 1940'ların sonunda, kuantum mekaniğinin o zamanlar oldukça gelişmiş olan tüm sonuçlarının, herhangi bir dalga fonksiyonu getirilmeden, ancak bir parçacığın bir noktadan diğerine olası tüm yörüngeler boyunca hareket ettiğini varsayarak elde edilebileceğini gösterdi. bir kez, ancak her yörüngenin “ağırlığı” yani nihai sonuca katkısı farklıdır ve özel kurallara göre belirlenir.

Klasiklere yakın olan yörüngeler en büyük ağırlığa sahiptir. Örneğin iki yarık olması durumunda bu tür yörüngeler aşağıdaki şekilde yeşil renkle gösterilmiştir.

Ancak başka birçok yörünge de buna katkıda bulunur ve hatta parçacığın ileri değil geri doğru hareket ettiği egzotik yörüngeler bile buna katkıda bulunur. Bunların arasında, aşağıdaki şekilde mor renkle gösterildiği gibi, yarıklardan birine girdikten sonra diğerinden geçip üçüncüden çıkanlar da var.

Bu tür klasik olmayan yörüngelerin varlığı, bir parçacığın üç yarıktan geçtikten sonraki durumunun, diğer ikisi kapalıyken her birinden ayrı ayrı geçiş durumlarının basit toplamına eşit olmaması gerçeğine yol açar. Fark elbette genellikle küçüktür, ancak öncelikle bazı zayıf etkilerle ilgileniyorsanız önemli olabilir ve ikinci olarak özel numaralara başvurarak güçlendirilebilir.

Çift yarık deneyi için süperpozisyon ilkesinin olağan açıklamasının yanlışlığına ilk dikkat çeken kişi, görünüşe göre 1986'da Japon fizikçi H. Yabuki oldu, ancak çalışmaları uzun süre fark edilmedi. Bu konuya olan modern ilgi, prestijli Physical Review A dergisinde 2012 yılında yayınlanan bir makaleyle yeniden canlandırıldı. Makalede yazarlar, elektromanyetik dalgaları örnek olarak kullanarak üç yarıkta klasik dalga girişimi durumunu incelediler. Bu alanın temelini oluşturan Maxwell denklemlerinin doğrudan sayısal simülasyonuyla, doğru cevap ile süperpozisyon ilkesinin yanlış yorumlanmasıyla elde edilen cevap arasındaki farkın gerçekçi koşullar altında yaklaşık %0,5 olduğunu gösterdiler. Ve bu değer küçük olmasına ve deneysel olarak ölçülmesi henüz mümkün olmamasına rağmen, etkinin kendisi inkar edilemez.

Ancak yine de bilim adamları bu gerçeği deneysel olarak kontrol etmek istiyorlar; bu nedenle 2014 ve 2015'te, Hindistan'dan Urbasi Sinha adlı bir kadın fizikçinin liderliğindeki aynı bilim insanı grubu, Physical Review Letters and Scientific Reports'ta iki makale yayınladılar. Parçacıkların üç yarıktan geçişine ilişkin ayrıntılı kuantum teorisi, ölçümlerin optik aralıkta olmayan elektromanyetik dalgalarla yapılması durumunda, doğru sonuç ile yanlış yorumun tahmini arasındaki tutarsızlığın etkisinin gözle görülür şekilde artırılabileceğini gösterdi; ışıklıdır, ancak mikrodalga aralığındadır - bu tür dalgalar, örneğin ev tipi mikrodalga fırınlarda, yiyecekleri ısıtmak için kullanılır.

Üç yarık deneyi: pratik

2014 yılında yayınlanan bir makaleye yorum yapan Urbasi Sinha, grubunun mikrodalgalarla deneyler yapmaya başladığını ancak sonuçlarının henüz yayınlanmadığını iddia etti. Ancak yakın zamanda, ünlü fizikçi Robert Boyd'un (örneğin, "yavaş" ışıkla bir deney gerçekleştiren ilk kişi olmasıyla ünlüdür) liderliğindeki başka bir bilim adamı grubu tarafından bir makale yayınlandı. Makale Nature Communications'da yayınlandı ve tartışılan etkiyi deneysel olarak gösterdi. Doğru, bu deneyin fikri farklıydı.

Robert Boyd ve meslektaşları, yarıklı bir plaka yakınındaki klasik olmayan yörüngelerin "ağırlığını" sözde plazmonların kullanımıyla artırmayı önerdiler. Plazmonlar, yalnızca bir metalin yüzeyi boyunca bir yarıktan diğerine ilerleyebilen "bir ip üzerindeki fotonlar" gibi bir şeydir. Bu amaçla altından yarıklı bir tabak yapılmıştır. Altın mükemmel bir iletken olduğundan özellikle güçlü plazmonlar oluşturur.

Deneyde ışık kaynağı üç yarıktan yalnızca birini ışınladı. Üstelik, eğer diğer ikisi kapalıysa, açık yarığın karşısında hafif bulanık bir şeridin tipik resmi gözlendi. Ancak diğer iki yarık açıldığında resim kökten farklıydı: Çok daha dar şeritlere sahip tipik bir girişim deseni ortaya çıktı.

Üç yarıktan ikisi kapalı (sol) ve üç yarık da açık (sağ) olduğunda ekrandaki görüntülerin karşılaştırılması. O.S. Magana-Loaiza ve diğerleri, Nat. İletişim 7, 13987 (2016)

Bütün bu inceliklere neden ihtiyaç duyuluyor?

Bu çalışmaların pratik sonuçları olabilir mi? Adı geçen eserlerin yazarları da bunu umuyor. Kuantum süperpozisyon olgusu, kuantum iletişimi olarak adlandırılan amaçlar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin kuantum kriptografisi buna dayanmaktadır. Kuantum bilgisayarlara, geleneksel elektronik tabanlı bilgisayarlara göre yadsınamaz avantajlar sağlayan şey, süperpozisyon olgusudur. Dolayısıyla bu yönlerde kuantum süperpozisyonunun nasıl çalıştığının doğru anlaşılması son derece önemlidir. İşte bu nedenle, üçlü yarık girişimine ilişkin araştırmaların kuantum cihazlarını çalıştırmak için yeni, daha etkili protokoller bulmamıza yardımcı olacağını umabiliriz.

Artyom Korjimanov

Kuantum büyüsü Doronin Sergey İvanoviç

2.4. Durumların süperpozisyonu

2.4. Durumların süperpozisyonu

Çevremizdeki dünyada "doğal olmayan" (klasik bakış açısına göre) durumların varlığı, bunların varlığının nesnelliği fiziksel deneylerle doğrulanmıştır ve bu gerçek, kuantum mekaniğinin en temel ilkelerinden birinin doğrudan sonucudur. - durumların üst üste binmesi ilkesi. Ya da tam tersini söylemek daha doğru: Doğanın bu doğal özelliği, kuantum mekaniğinin temel teorik ilkesine de yansıyor. Aşağıdaki gibi formüle edilebilir.

Durumların süperpozisyonu ilkesi : Eğer bir sistem farklı durumlarda olabiliyorsa, o zaman bu kümeden iki veya daha fazla durumun eş zamanlı "süperpozisyonu" sonucunda elde edilen durumlarda da olabilir.

Kuantum teorisinde, saf durumların bir durum vektörüyle ve karışık durumların yoğunluk matrisleriyle tanımlanabileceği gerçeğine uygun olarak, niteliksel olarak farklı iki süperpozisyon türü vardır. Bu nedenle durum vektörleri veya yoğunluk matrisleri birbiriyle örtüşebilir. Şimdilik saf hallerin süperpozisyonundan bahsedeceğiz; bu durumu vurgulamak için genellikle “tutarlı süperpozisyon” ve “tutarlı durumlar” ifadeleri kullanılır.

Klasik fizikte süperpozisyon kavramı da yaygın olarak kullanılmaktadır. Okulda hepimiz bir cisme uygulanan kuvvetlerin vektör oklarını çizerdik ve paralelkenar (üçgen) kuralını kullanarak sonuç kuvvet vektörünü bulurduk. Bu durumda, klasik fiziğin süperpozisyon ilkesini kullandık; bunun özü, birkaç bağımsız etkiden elde edilen etkinin, her etkinin ayrı ayrı neden olduğu etkilerin toplamı olmasıdır. Lineer denklemlerle tanımlanan sistemler veya fiziksel alanlar için geçerlidir.

Ancak klasik fizikte süperpozisyon ilkesi evrensel değil yaklaşıktır ve temeldir. Bu daha ziyade karşılık gelen sistemlerin hareket denklemlerinin doğrusallığının bir sonucudur ve doğrusal olmayan etkiler önemsiz olduğunda oldukça iyi bir yaklaşım görevi görür.

Kuantum mekaniğinde durum farklıdır. İçinde, teorinin matematiksel aparatının yapısını belirleyen ana varsayımlardan biri olan süperpozisyon ilkesi temeldir. Örneğin şu şekildedir: devletler kuantum mekaniği