Die Welt um uns herum arbeitet seit ihrer Gründung nach den Gesetzen der Naturwissenschaften. Wir können praktisch jedes Phänomen erklären, indem wir uns auf die Gesetze stützen. Und jetzt wissen wir bereits, dass der Blitz nicht die Wut des Zeus ist, der Tsunami nicht die Schlange des Neptun ist, die Erde nicht flach ist und es keine riesigen Schildkröten gibt, die ganze Welten halten. Zwar glauben einige besonders hartnäckige Vertreter unserer Rasse immer noch an die neuesten Aussagen. Aber heute werden wir über die Wissenschaft sprechen, die es liebt, alles auf den Kopf zu stellen, über die Quantenmechanik.
Genauer gesagt über eine Studie, die experimentell zeigt, dass wir nicht immer einen einzigen Zustand von etwas haben. Mit Hilfe des Wissens aus der Quantenmechanik gelang es den Wissenschaftlern, eine unbestimmte kausale Ordnung im Quantenschalter zu erreichen. Was es ist und wie es funktioniert, lernen wir aus ihrem Bericht. Lass uns gehen.
StudienbasisUrsache ist ein sehr bekanntes und verständliches Phänomen. Wir wissen, dass eine bestimmte Aktion in der Regel zu einem bestimmten Ergebnis führt. Natürlich kann es manchmal verschiedene Wege von Ereignissen geben, aber einer wird immer gewählt. So können wir zum Beispiel einen Samen in einen Topf pflanzen, und die Blume wächst oder wächst nicht. Er kann nicht beides. Es lohnt sich, an das wunderbare theoretische Experiment "Schrödinger Katze" zu erinnern.
Um die Geschichte nicht zu verlängern, ist die Beschreibung dieses Experiments unter dem Spoiler versteckt:
Dieses theoretische Experiment wurde von Schrödinger selbst hinreichend detailliert beschrieben und ist zum Teil schwierig. Eine vereinfachte Version ist:
Es gibt eine Stahlbox. In der Box gibt es eine Katze und einen Mechanismus. Der Mechanismus ist ein Geigerzähler mit einer sehr geringen Menge an radioaktiver Substanz. Diese Substanz ist so klein, dass in 1 Stunde 1 Atom zerfallen kann (oder nicht). In diesem Fall entlädt sich die Ableseröhre und ein Relais löst aus, wodurch ein Hammer freigesetzt wird, der über der Giftbirne hängt. Die Flasche zerbricht und das Gift tötet die Katze.
Nun eine Erklärung. Wir sehen nicht, was in der Box passiert, wir können den Prozess selbst durch unsere Beobachtungen nicht beeinflussen. Bis wir die Schachtel öffnen, wissen wir nicht, ob die Katze lebt oder tot ist. Übertreibend können wir also sagen, dass sich die Katze in der Kiste für uns gleichzeitig in zwei Zuständen befindet: Er lebt und ist tot.
Ein sehr interessantes Experiment, das die Grenzen der Quantenphysik überschreitet.
Das Paradoxon von Wigner kann als noch ungewöhnlicher angesehen werden. Zu allen oben genannten Variablen des Experiments werden einige Freunde von Laborassistenten hinzugefügt, die dieses Experiment durchführen. Als er die Schachtel öffnet und den genauen Zustand der Katze herausfindet, kennt sein Freund, der sich an einem anderen Ort befindet, diesen Zustand nicht. Der erste sollte den zweiten darüber informieren, dass die Katze lebt oder tot ist. Bis also jeder im Universum den genauen Zustand des armen Tieres kennt, wird es gleichzeitig als tot und lebendig betrachtet.
Um die unsichere kausale Ordnung zu untersuchen, wird ein Rahmen verwendet, der bestimmt, ob sich eine experimentelle Situation (im Folgenden als Prozess bezeichnet) auf einen festen kausalen Prozess bezieht oder nicht. Ein Beispiel für einen Prozess aus einer unbestimmten kausalen Ordnung ist ein Quantenschalter, bei dem
Black-Box * -Operationen am Zielsystem ausgeführt werden, während der Schalter selbst von einem steuernden Quantensystem kohärent gesteuert wird.
Black Box * - in diesem Fall handelt es sich um eine Bezeichnung von Operationen, die noch nicht bekannt sind.
Laut Wissenschaftlern besteht der Hauptvorteil eines Quantenschalters darin, dass er nicht mit einer herkömmlichen Quantenschaltung implementiert werden kann, die die gleiche Anzahl von Black-Box-Operationen verwendet.
Und jetzt stellte sich den Wissenschaftlern sofort die Frage: Ist es möglich, diesen Quantenwechsel unter Laborbedingungen zu realisieren? Tatsache ist, dass die Implementierung einer solchen Technologie derzeit den Quantenschalter nicht ausnutzt, da zusätzliche „Black Boxes“ verwendet werden. In einer solchen Implementierung wird die Reihenfolge gesteuert, durch welchen Weg die Photonen wählen, während jede "Black Box" (in diesem Fall Wellenplatten) in Abhängigkeit von ihrer Polarisation wirkt. Das heißt, Photonen passieren Wellenplatten an zwei verschiedenen Punkten im Raum, abhängig von der Reihenfolge. Zusätzlich gibt es ein weiteres Minus (genauer gesagt die Begrenzung) - die Photonenkohärenzlänge in einer solchen Implementierung ist viel kürzer als der Abstand zwischen zwei Wellenplatten. Dies bedeutet, dass Operationen auch zeitlich unterschiedlich sein können, da einige von ihnen durch Steuern der Wellenplatten schneller ausgeführt werden können.
Wissenschaftler sind sich bewusst, dass die obige Implementierung mit vielen Einschränkungen behaftet ist. Deshalb konzentrierten sie sich auf einen Quantenschalter, der diese Einschränkungen überwinden kann.
Bild 1: Quantenschalter.Das Bild №1 zeigt die Operationsschemata eines Quantenschalters, bei dem das steuernde Qubit für eine bestimmte Reihenfolge verantwortlich ist, in der zwei Quantenoperationen A und B ausgeführt werden, die auf das Ziel-Qubit
| ψ⟩t gerichtet sind .
1a - wenn sich das steuernde Qubit im Zustand
| 0⟩ s befindet , haben wir als Ergebnis eine Operation der Form AB;
1b - wenn sich das steuernde Qubit im Zustand
| 1⟩ s befindet , ist das Ergebnis die Operation IA;
1 -
Befindet sich das steuernde Qubit in einem Zustand der Quantenüberlagerung 1 / √2 (| 0⟩ + | 1⟩)
s , geht die Reihenfolge der Operationen ebenfalls in eine Quantenüberlagerung über. Infolgedessen ist der allgemeine Zustand des Steuerungs- und Zielsystems am Ausgang wie folgt:
1d - das Ziel-Qubit
| ψ⟩t wird im Polarisationsfreiheitsgrad codiert, während | 0⟩ und | 1⟩ unterschiedliche Photonenpfade durch die Wellenplatten sind. Diese Pfade implementieren die Operationen A und B. Da die Photonen an zwei verschiedenen Punkten durch die Wellenplatten laufen, erhalten wir 4 verschiedene Operationen: A1, A2 und B1, B2.
Es ist erwähnenswert, dass die Wissenschaftler bei der Implementierung des Quantenschalters nur zwei Operationen vom Typ "Black Box" verwendeten, von denen jede nur einmal verwendet wurde. In dem experimentellen System wird das steuernde Qubit in Polarisation codiert, und das Ziel-Qubit wird in der transversalen räumlichen Mode des Photons codiert.
Forscher sagen, dass ihr Interesse am Quantenwechsel aus dem Wunsch resultiert, eine kausale Ordnung des Quantentyps zu implementieren, was bisher noch niemand getan hat.
Vor diesem Hintergrund werden in dieser Studie
Kausalzusammenhänge als die Fähigkeit definiert, Signale zwischen
Ereignissen zu übertragen. Unter Ereignissen verstehen wir die Operationen zum Ändern, Vorbereiten oder Transformieren eines physischen Systems. Als Beispiel zitieren Wissenschaftler ein Photon, das durch mehrere Linsen geht. Dieses Photon definiert ein Ereignis.
Eine Kausalstruktur ist ein Netzwerk möglicher Kausalzusammenhänge zwischen mehreren Ereignissen.
Nachdem die "lokale" Terminologie geklärt ist, geht es nun um den Prozess. Betrachten Sie zunächst das relativistische Kausalsystem. Wenn Ereignis A in Bezug auf Ereignis B in der Vergangenheit liegt, können wir ein Signal von A nach B senden. Wenn die Ereignisse räumlich getrennt sind (räumlich weit voneinander entfernt), kann kein Signalaustausch stattfinden.
Hier lohnt es sich zu klären, was „räumliche Trennung“ ist, und dieses Konzept durch andere damit verbundene zu ergänzen.
Stellen Sie sich zwei getrennte Ereignisse vor: A und B. Wenn Sie schnell genug sind, können Sie sowohl A als auch B sehen. Dies ist eine vorübergehende Trennung. Wenn die Ereignisse so weit voneinander entfernt sind, müssen Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, um Sie beide zu sehen. Dies ist eine Lichttrennung. Wenn die Ereignisse A und B noch weiter voneinander entfernt sind und Sie nicht sehen können, dass sich beide mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ist dies eine räumliche Trennung. Dies ist eine grobe Erklärung.
Wie wir in den obigen Diagrammen gesehen haben, gibt es zwei Operationen A und B. Tatsächlich gibt es drei davon, es gibt auch Operation C. Mehr zu jeder von ihnen.
A und
B sind Operationen auf dem Zielsystem, die entlang der beiden Arme des Interferometers implementiert sind. Aber
C ist bereits die Messung des Steuerungssystems, die durchgeführt wird, nachdem beide Ereignisse A und B stattgefunden haben. Alle drei Ereignisse müssen von einem Quantenschalter erkannt werden.
Das Schema des Experiments.Betrachten Sie nun das Schema, nach dem das Experiment durchgeführt wurde. Wie wir bereits wissen, wird das steuernde Qubit durch Polarisation bestimmt, daher gibt es zwei Polarisationsstrahltrenner -
PBS1 und
PBS2 . PBS1 lenkt das Photon zum Ereignis A oder B, das die entsprechenden Operationen A und B im räumlichen Modus des Photons implementiert. Ereignis C wird durch eine Polarisationsmessung dargestellt,
die die Stokes * -Parameter eines Photons beschreibt. Um die Modusanpassung sicherzustellen, wurden Linsen verwendet (
L1 und
L2 im Diagramm).
Stokes-Parameter * - eine Reihe von Größen, die den Polarisationsvektor elektromagnetischer Wellen beschreiben.
Als Strahlungsquelle wurde ein 100-kHz-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 795 nm mit einer Transversalmode niedriger Ordnung (HG
00 ) verwendet. Als nächstes wurde der Laserstrahl in den Hermitian-Gauß-Modus HG
10 umgewandelt, indem der Strahl durch ein Element geleitet wurde, das die π-Phase zur Hälfte des Strahls hinzufügt. Das Ergebnis ist ein räumlicher Modus, der eine Überlagerung von hermitisch-gaußschen Modi ist. Ferner wurde eine Fourier-Filterung verwendet, um die meisten räumlichen Moden hoher Ordnung zu entfernen. Somit besteht der Qubit-Raum des Zielsystems aus räumlichen Moden erster Ordnung (| 0⟩ = | HG 10⟩; | 1⟩ = | HG 01⟩). Und der Anfangswert des Ziel-Qubits | ψ⟩t ist | 0⟩.
Beim Durchlaufen des Polarisationsabscheiders PBS1 wird der Strahl in zwei Arme des Interferometers unterteilt (Abbildung oben). Hier arbeiten zwei einheitliche Operationen A und B in einem transversalen räumlichen Modus, obwohl sie unter idealen Bedingungen die Polarisation des Strahls nicht ändern sollten. Der Ober- und Unterarm sind am Ausgangsseparator PBS2 verbunden. Der resultierende Mod wird an PBS1 zurückgesendet. Die Objektive stellen sicher, dass der Modus übereinstimmt, dh der Modus, der wieder in das Interferometer eintritt, muss mit dem ursprünglichen Modus übereinstimmen.
Schema der Durchführung der Operationen A und B.Prismen (
R ) drehen den eingehenden Quermodus. Zu einer Zeit führen Zylinderlinsen (
C ) zu einer π / 2-Phasenverschiebung der Hermitian-Gauß-Komponenten des einfallenden Photons. Sphärische Linsen (
L ) sind erforderlich, um eine Mod-Anpassung zu erreichen. Reflexionen in Prismen können zu Polarisationsverzerrungen führen. Um diese Änderungen zu kompensieren, werden die Wellenhalbplatte (
H ) und die Wellenviertelplatte (
Q ) verwendet. Und φ ist die Phasenplatte. Um die erforderlichen Operationen zu implementieren, müssen Sie den Neigungswinkel
θ 1 und
θ 2 anpassen. Um beispielsweise den HG
10- Strahl in HG
01 umzuwandeln, muss
der Strahl R (θ
1 ) um 45 Grad gedreht und der Winkel R (θ
2 ) auf 0 gesetzt werden.
In dem Experiment identifizierten die Wissenschaftler zwei Hauptursachen für mögliche Fehler: Modenfehlanpassung und falsche Einstellung der Neigungswinkel.
Der sogenannte „kausale Zeuge“, ein Parameter, der die Fähigkeit der Ereignisse A und B demonstriert, den einheitlichen Operationen A und B zu entsprechen, fungierte als Hauptindikator für die Systemleistung. Bei der Bestimmung dieses Parameters wurden auch die Stokes-Parameter berücksichtigt.
Die theoretische Modellierung des Systems vor der praktischen Implementierung zeigte, dass ⟨S⟩ unter idealen Bedingungen ungefähr 0,248 beträgt. Wenn wir das System unter Berücksichtigung seiner realen Parameter simulieren, dann -0,20 ≲ ⟨S⟩ ≲ -0,14.
Ein praktisches Experiment zeigte ein gutes Ergebnis: ⟨S⟩ = -0,171 ± 0,009, was in den erwarteten Bereich passt. Die Wissenschaftler kamen daher zu dem Schluss, dass ihr System in einer unbestimmten kausalen Reihenfolge arbeitet. Die Grundlage dieser Errungenschaft nennen die Forscher Polarisierung bzw. Manipulation, die es ermöglichte, das System auf diese Weise zu implementieren.
Um sich mit den Details des Experiments vertraut zu machen, empfehle ich dringend den Bericht von Wissenschaftlern, der
hier verfügbar
ist .
NachwortDiese Studie berührte nur die Oberfläche einiger Aspekte einer so komplexen und komplizierten Wissenschaft wie der Quantenmechanik. Wenn Wissenschaftler jedoch weiterhin in diese Richtung arbeiten, werden sie in der Lage sein, noch beeindruckendere Ergebnisse zu erzielen, die nicht nur die Computertechnologie, den Datentransfer usw. verändern können, sondern auch unsere Vision von der Welt als einer Reihe von Gesetzen der Naturwissenschaften, die ihren Status verlieren können. " unzerstörbar. "
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