mój rynek

mój rynek

Menu

Get your dropdown menu: profilki

poniedziałek, 25 lipca 2016

Podróż z prędkością światła


W kwantowym świecie nieskończenie małych cząstek, dziwne zachowania często przeczą logice. Być może najdziwniejszym z nich jest idea superpozycji, w którym obiekty mogą istnieć jednocześnie w dwóch lub więcej stanach -  pozornie sprzecznie z intuicją. Na przykład, zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, elektrony mogą obracać się zarówno w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, albo być w spoczynku i pobudzone - w tym samym czasie.

Od czasów Schroedingera – autora eksperymentu z jednocześnie martwym i żywym kotem, naukowcy udowodnili, że cząstki rzeczywiście mogą być w superpozycji na kwantowych, subatomowych skalach. Ale czy takie dziwne zjawiska można zaobserwować w naszym codziennym świecie?

Odkryto, że cząstki elementarne zwane neutrino mogą znajdować się w superpozycji, podczas podróży na dystansie setek mil.


Przeanalizowano dane dotyczące oscylacji cząstek neutrino-subatomowych, które bardzo słabo oddziałują z materią, przechodzących przez nasz organizm miliardy razy na sekundę bez żadnego efektu. Neutrina mogą oscylować lub zmieniać się w aspekcie kilku – tak zwanych – „smaków”; robią to podróżując z prędkością światła. Zmiana „smaku” (flavour) możliwa jest, gdyż podczas podróży neutrina nie mają żadnych cech indywidualnych: są w stanie superpozycji, bez smaku i tożsamości. W momencie pomiaru nabierają cech „osobowościowych”.


Co jednak, jeśli te cząstki nie tyle nie miału smaku, co wcielały się w wiele smaków jednocześnie? Były nie tyle duchami, co poruszały się zgodnie z punktem widzenia opartym na realizmie Einsteina.


Stanowi to punkt wyjścia do podróży makroskopowych. 

wtorek, 12 lipca 2016

Budowa obwodów kwantowych

Kot Schrödingera utrzymuje się przy życiu w połowie - wyczyn ten może w zaskakujący sposób pomóc w budowie obwodów kwantowych.
Na szczęście, technika ta nie będzie opierać się na kocie, ale falach elektromagnetycznych, które mogą zachowywać się analogiczne do kota ze znanego eksperymentu myślowego Erwina Schrödingera.

Cząsteczki są zdolne do istnienia w superpozycji stanów lub w dwóch trybach jednocześnie. Foton, na przykład, może być jednocześnie spolaryzowany pionowo i poziomo. Ta superpozycja utrzymuje się, aż do pomiaru, w momencie którego foton wybiera jeden stan.



Schrödinger twierdził, że reguły kwantowe stosują się do świata makroskopowego: kot utknął w zamkniętym pudełku może być jednocześnie żywy i martwy jednocześnie - przynajmniej do momentu otwarcia pudła.

Normalnie, fale elektromagnetyczne zamknięte w pudle będą oscylować na podobieństwo wahadła: tam i z powrotem, ale jest możliwe wprowadzenie odwrotnej fali do owego pudła, co spowoduje powstanie „koto-podobnego” stanu – polegającego na „robieniu” dwóch wykluczających się rzeczy w tym samym czasie.

Eksperyment idzie o krok dalej:  przygotowano dwie wnęki z aluminium, w którym fotony mikrofali mogą podskakiwać. Potem połączono wnęki z kanałem: szafirowym nadprzewodzącym chipem i obwodem aluminiowym, przez który może podróżować sygnał elektryczny.

Pomyśl o tym chipie jak o przełączniku on-off. Gdy przełącznik jest na "on", a kanał jest otwarty, mikrofale wewnątrz będą oscylować w innej częstotliwości niż gdyby był przełączony na "off". Cechą świata kwantowego jest możliwość istnienia swoistego mostku, który łączy „on” z „off” – i wtedy dwie częstotliwości istnieją naraz.

Zasadniczo można zapytać: „Czy jesteś martwy, czy żywy?”, ale to nie dostarczy odpowiedzi na sedno problemu: czy mamy do czynienia z kwantową superpozycją, czy po prostu stworzyliśmy sytuację, kiedy jest 50 % szans na przeżycie.

Zamiast tego zadano pytanie, które ujawnia stan kota bez naruszania badanego układu. Zmierzono liczbę fotonów w polu, wiedząc, że stan kota wykonanego z fal elektromagnetycznych  zawsze składa się z parzystej liczby fotonów.
Kiedy mierzono oddzielnie dwa pudełka, a następnie sumowano, liczba zawsze była parzysta.

To pokazuje, że jeśli połączyć dwa pola, można otrzymać prawdziwy stanu kota Schrödingera.


Realny postęp tego eksperymentu polega na uświadomieniu sobie, iż splątane dwa pudła mogłyby być w rzeczywistości blokami komputera wykorzystującego właściwości superpozycji kwantowych do obliczeń w prędkością błyskawicy – „koto stany” byłyby reprezentowane przez qubity. 

czwartek, 7 lipca 2016

Hilbert Hotel

W 1924 roku matematyk David Hilbert opisał hotel z nieskończoną liczbą pokoi, z których wszystkie są zajęte, ale mimo to: hotel nadal może pomieścić dodatkowych gości. Choć oczywiście nie ma takiej cegły i zaprawy, z której można by zbudować  tego typu hotel, to w nowym artykule, opublikowanym w Physical Review Letters, fizyk Václav Potoček proponuje budowę takiego miejsca przy użyciu wiązki światła.




W eksperymencie myślowym Hilberta dodatkowe pokoje mogą być tworzone w hotelu, który już ma nieskończoną liczbę pokoi, ponieważ menedżer hotelu może po prostu przemieszczać wszystkich obecnych gości do nowego pokoju zgodnie z jakąś regułą; przykładowo: przenosić wszystkich do pokoju o jeden numer wyżej (zostawiając pierwszy pokój pusty) lub przenosić wszystkich do pokoi o numerze dwukrotnie większym niż obecnie zajmowane (tworząc w ten sposób nieskończenie wielką liczbę pokoi pustych o numerach nieparzystych).

W swoim artykule zaproponował dwa sposoby budowy takiego hotelu: teoretyczny i eksperymentalny.

Propozycja teoretyczna wykorzystuje nieskończoną liczbę poziomów energetycznych cząstki w studni potencjału, a demonstracja eksperymentalna wykorzystuje nieskończoną liczbę orbitalnych kątowych stanów pędu światła.

Naukowcy wskazują, że mimo, iż początkowo występuje nieskończona liczba stanów, czyli pomieszczeń, amplitudy numerów pokojów (stanów) można odwzorować do dwukrotności ich pierwotnej wartości, tworząc nieskończoną liczbę dodatkowych stanów. Z jednej strony, zjawisko to jest sprzeczne z intuicją: podwajając nieskończoną ilość rzeczy, mamy nieskończenie wiele więcej z nich. A jednak to nadal ma sens, ponieważ suma wartości nieskończonej liczby rzeczy, w rzeczywistości może być skończona.

Na przykład: stan koherentny lasera składa się z nieskończonego zestawu stanów liczbowych, lecz traktując go jako liczbę fotonów zauważyć można następujące zjawisko: podczas gdy ich liczebność wzrasta w każdym ze stanów,  amplituda zmniejsza się, i pod koniec całkowita suma energii jest skończona.



Wykazano również, że odwzorowania można wykonać nie tylko przez podwojenie, ale także poprzez potrojenie itd. 

poniedziałek, 4 lipca 2016

Przeszłość zależna od przyszłości

Fizycy teoretyczni, badający zachowanie ultra-zimnych atomów, odkryli nowe źródło tarcia, co stanowi odejście od stuletniego paradoksu.

Tarcie to dotyczy niektórych układów atomów w Kondensacie Bosego-Einsteina (BEC) - stanie kwantowym materii, w którym dopuszczalna jest niezerowa liczba cząstek w zerowej objętości przestrzeni pędów . W tym stanie, dobrze dostrojone pola magnetyczne mogą powodować, iż atomy będą przyciągać się –  nawet po kilka razem - tworząc pojedynczy kompozyt cząstki znany jako „soliton”.
Solitony pojawiają się w wielu dziedzinach fizyki i są wyjątkowo stabilne. Mogą swobodnie podróżować, bez utraty energii lub rozproszenia, pozwalając teoretykom traktować je jako obiekty nie-kwantowe. Solitony złożone z fotonów – zamiast atomów – są wykorzystywane do komunikacji za pośrednictwem światłowodów.

Badanie właściwości solitonów może być owocną ścieżką eksploracji – łączy dwa istotne obszary badań: tarcia i mechaniki kwantowej, jako już ugruntowanej, dobrze przetestowanej teorii.

Początkowo sądzono, iż tarcie w solitonach nie jest możliwe: zakładano taką sposobność, ale z punktu widzenia matematyki było to wykluczone.


Nowa siła tarcia, ujawniona w solitonach, bierze się z mechanizmu analogicznego do  promieniowania emitowanego przez elektron; konsekwencją tego jest to, że elektrony doznają siły tarcia, ponieważ są przyspieszane – w omawianym przypadku: emisja promieniowania elektronu zostaje zastąpiona absorpcją i emisję kwantowych quasi-cząstek.

W sercu tej siły tarcia kryje się jednak problem. Układając równania opisujące ruch solitonu, okazuje się, że ten ruch zależny jest od wydarzeń w przyszłości - wynik, który odwraca standardową koncepcję przyczynowości. Jest to sytuacja, która zadziwia fizyków od dziesięcioleci.

Zespół wytropił pochodzenie tych prognoz czasowych i obalił ów paradoks. Problem wynika z faktu, iż w obliczeniach przyjmowano, że siły tarcia zależne są tylko od aktualnego stanu solitonu. Jeżeli natomiast zależeć mają również od jego przeszłych trajektorii, paradoks znika. Tak więc, z punktu widzenia mechaniki kwantowej, przechowywana jest pamięć o ścieżce ruchu solitonu - zależność od historii solitonu prowadzi do prawie tych samych równań regulujących jego ruch, a równania te wciąż zawierają nowe tarcie

wtorek, 21 czerwca 2016

Praktyczne próby wykorzystania kwantowej informatyki

Zespół naukowców z Google, Uniwersytetu Kraju Basków, University of California i Ikerbasque - Baskijskiej Fundacji Nauki, opracował sposób na połączenie dwóch wiodących pomysłów na stworzenie komputera kwantowego w jednej maszynie.

Naukowcy naprawdę chcieliby dowiedzieć się, jak zbudować prawdziwy komputer kwantowy, który pozwoli na rozwiązywanie problemów nierozwiązywalnych dla maszyn konwencjonalnych. Ale niestety, idea takiego komputera funkcjonuje głównie na gruncie teoretycznym.



Aby przenieść niektóre z pomysłów z teorii do rzeczywistości, naukowcy zbudowali rzeczywistą maszynę – jej stworzenie oparte jest na dwóch najważniejszych podejściach do budowy komputera kwantowego.

Pierwsze podejście opiera się na modelu bram, w którym qubity są połączone ze sobą w celu utworzenia prymitywnego obwodu symulującego logiczną bramkę kwantową; każda bramka logiczna jest w stanie wykonać jeden konkretny rodzaj działania. Każda z bramek logicznych musi być zaprogramowana z wyprzedzeniem do wykonywania owych zadań.

Przy drugim podejściu qubity nie oddziałują ze sobą, lecz są utrzymywane w stanie podstawowym, gdzie następnie mogą ewoluować do systemu zdolnego do rozwiązywania danego problemu. Rezultatem jest tak zwana: maszyna adiabatyczna. Niestety, w tym podejściu nie ma możliwości, iż kiedykolwiek będzie możliwe korzystanie z pełnej mocy obliczeniowej oferowanej przez informatykę kwantową.

Stosując nowe podejście: naukowcy próbowali wykorzystać pozytywne cechy obu podejść tworząc maszynę,  będącą standardowym komputerem kwantowym, a następnie użyli jej do symulacji adiabatycznej maszyny. Wykorzystując 9 qubitów i ponad 1000 bramek logicznych, uzyskali efekt pozwalający na komunikację qubitów, które mogą być włączane i wyłączane w razie potrzeby.

Mechanika kwantowa może przyczynić się do rozwiązywania złożonych problemów w fizyce i chemii, o ile jest możliwe zaprogramowanie jej w urządzeniu fizycznym. W adiabatycznej informatyce kwantowej system powoli ewoluuje od stanu prostej funkcji Hamiltona do końcowego Hamiltonianu kodującego problem. Atrakcyjność tego podejścia polega na połączeniu prostoty i ogólności; w zasadzie każdy problem może być kodowany. W praktyce wnioski są ograniczone przez ograniczoną łączność, dostępność interakcji i zakłócenia.

poniedziałek, 13 czerwca 2016

Bramka Fredkina

Naukowcy z Uniwersytetu Griffith i University of Queensland rozwiązali jedno z kluczowych wyzwań dotyczących komputerów kwantowych poprzez uproszczenie skomplikowanej kwantowej operacji logicznej..

Urokiem komputerów kwantowych jest niezrównana moc obliczeniowa.
Podobnie jak w naszym codziennym komputerze: mózgu, komputer kwantowy składa się z łańcuchów bramek logicznych, a bramki te wykorzystują zjawiska kwantowe.
Główną przeszkodą w rzeczywistym stworzeniu komputera kwantowego jest  minimalizacja ilości zasobów potrzebnych do skutecznego wdrożenia układów przetwarzania.
Podobnie do budowy ogromnej ściany, składającej się wielu małych cegieł, duże układy kwantowe wymagają bardzo wielu bramek logicznych, aby funkcjonować. Jednakże, jeśli są stosowane większe cegły na tej samej ścianie, to może być ona zbudowana z mniejszej ilości cegieł.


Obecnie nawet małe i średnie kwantowe układy komputerowe nie mogą być wytwarzane ze względu na wymóg integracji wielu bramek.
W eksperymencie wykorzystano tak zwaną bramkę Fredkina – jest to bramka, w której dwa qubity są zamieniane w zależności od wartości trzeciego.
Zazwyczaj bramka Fredkina wymaga wdrożenia obwodu pięciu operacji logicznych. Zespół badawczy wykorzystał kwantowe splątanie fotonów cząstek światła do wykonania  bezpośrednio kontrolowanej operacji zamiany.
Istnieją kwantowe algorytmy obliczeniowe, takie jak algorytm Shor, odpowiedzialne za znalezienie liczb pierwszych, które wymagają operacji kontrolowanej zamiany.
Bramka kwantowa Fredkina może być również stosowana do przeprowadzenia bezpośredniego porównania z dwoma zestawami qubitów (bitów kwantowych) w celu określenia, czy są one takie same czy nie. Jest to nie tylko przydatne w informatyce, ale jest istotną cechą niektórych bezpiecznych protokołów komunikacji kwantowej, gdzie celem jest sprawdzenie, czy dwa ciągi lub podpisy cyfrowe są takie same.
Profesor Geoff Pryde stwierdził:

"To, co jest ekscytujące w naszym systemie to to, że nie ogranicza się tylko do kontrolowania, czy qubity są zamienione, ale mogą być stosowany do wielu różnych operacji związanych ze sposobem kontrolowania większych obwodów. To może wyzwolić aplikacje, które do tej pory były poza zasięgiem”.

wtorek, 29 marca 2016

Szkło Bosego


Wykorzystując jedne z najpotężniejszych superkomputerów, naukowcy z University of Illinois dokonali symulacji, aby pomóc w wyjaśnieniu jednego z najbardziej beznadziejnych problemów fizyki.

Jedną z największych tajemnic fizyki jest problem interakcji wielu cząstek kwantowych - nie rozumiemy, co się dzieje, gdy cząstki kwantowe spotykają się i współdziałają ze sobą. Problem ten obejmuje zarówno kwestie energii jądrowej w gwiazdach neutronowych, jak i takie jak transport elektronów w fotosyntezie oraz kwarków i gluonów wewnątrz protonu.
Eksperyment polega na schłodzeniu atomów gazu do zaledwie miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego, w celu symulowania doświadczalnie modeli materiałów, takich jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe.
W tych doświadczeniach, atomy odgrywają rolę elektronów w materiale, a zaburzenia są w pełni kontrolowane i znane i mogą być zmieniane w 90-sekundowym cyklu eksperymentalnym.


Szkło Bosego jest dziwnym i trudnym do zrozumienia izolatorem, który może wystąpić, gdy do nadprzewodnika dodawane jest zaburzenie.

Symulacje komputerowe są w stanie obrazować stosunkowo dużą liczbę cząstek, na przykład 30.000 cząstek węgla, i pokazać coś zaskakującego – ta sama wielkość zaburzenia przekształca powtarzalnie nadprzewodnik w szkło Bosego.


Wynik ten jest niezwykle ważne dla zrozumienia nieuporządkowanych materiałów kwantowych, które są wszechobecne, ponieważ zaburzenie jest trudne do uniknięcia.