Dunia di sekitar kita telah bekerja sesuai dengan hukum ilmu pengetahuan alam sejak awal. Kita dapat menjelaskan fenomena, praktis, apa pun, dengan mengandalkan hukum-hukum itu sendiri. Dan sekarang kita sudah tahu bahwa kilat bukanlah kemarahan Zeus, tsunami bukanlah ular Neptunus, Bumi tidak datar, dan kura-kura besar yang memegang seluruh dunia tidak ada. Benar, beberapa perwakilan ras kami yang keras kepala masih percaya pada pernyataan terbaru. Tapi hari ini kita akan berbicara tentang sains, yang suka membalikkan segalanya, tentang mekanika kuantum.
Lebih tepatnya, tentang penelitian yang secara eksperimental menunjukkan fakta bahwa kita tidak selalu memiliki satu keadaan tunggal. Menerapkan pengetahuan dari mekanika kuantum, para ilmuwan mampu mencapai urutan kausal tak tentu dalam saklar kuantum. Apa itu dan bagaimana cara kerjanya, kita belajar dari laporan mereka. Ayo pergi.
Dasar studiSebab akibat adalah fenomena yang sangat akrab dan dapat dimengerti. Kita tahu bahwa suatu tindakan mengarah pada hasil tertentu, sebagai suatu peraturan. Tentu saja, terkadang ada berbagai cara pengembangan acara, tetapi selalu ada satu yang dipilih. Jadi, misalnya, kita dapat menanam benih dalam pot, dan bunganya akan tumbuh atau tidak tumbuh. Dia tidak bisa melakukan keduanya. Layak untuk mengingat kembali eksperimen teoretis yang menakjubkan "Kucing Schrödinger".
Agar tidak merentangkan cerita, uraian percobaan ini disembunyikan di bawah spoiler:
Eksperimen teoretis ini dijelaskan oleh Schrödinger sendiri dalam detail yang cukup dan sulit, sampai batas tertentu. Versi yang disederhanakan adalah:
Ada kotak baja. Di dalam kotak ada kucing dan mekanisme. Mekanismenya adalah penghitung Geiger dengan jumlah zat radioaktif yang sangat sedikit. Zat ini sangat kecil sehingga dalam 1 jam 1 atom dapat membusuk (atau mungkin tidak membusuk). Jika ini terjadi, maka tabung pembacaan meter melepaskan dan relay perjalanan, melepaskan palu yang menggantung di atas bola racun. Labu pecah, dan racun membunuh kucing.
Sekarang penjelasan. Kami tidak melihat apa yang terjadi di dalam kotak, kami tidak dapat memengaruhi proses, bahkan oleh pengamatan kami. Sampai kita membuka kotak itu, kita tidak tahu apakah kucing itu hidup atau mati. Jadi, melebih-lebihkan, kita dapat mengatakan bahwa bagi kita kucing di dalam kotak ada di dua negara pada saat yang sama: dia hidup dan mati.
Eksperimen yang sangat menarik mendorong batas-batas fisika kuantum.
Paradoks Wigner dapat dianggap bahkan lebih tidak biasa. Untuk semua variabel percobaan di atas, beberapa teman asisten laboratorium ditambahkan, yang melakukan percobaan ini. Ketika dia membuka kotak itu dan mengetahui keadaan pasti kucing itu, temannya, yang berada di tempat yang berbeda, tidak mengetahui keadaan ini. Yang pertama harus memberi tahu yang kedua bahwa kucing itu hidup atau mati. Jadi, sampai semua orang di alam semesta mengetahui keadaan pasti hewan malang itu, ia akan dianggap mati dan hidup pada saat yang sama.
Untuk mempelajari urutan sebab akibat yang tidak pasti, kerangka kerja digunakan yang menentukan apakah ada situasi eksperimental (selanjutnya disebut sebagai proses) mengacu pada proses sebab akibat yang tetap atau tidak. Contoh dari proses dari urutan kausal tak tentu adalah saklar kuantum di mana operasi
kotak hitam * dilakukan pada sistem target, sementara sakelar itu sendiri dikontrol secara koheren oleh sistem kuantum pengendali.
Black box * - dalam hal ini adalah penunjukan operasi yang belum diketahui.
Menurut para ilmuwan, keuntungan utama dari saklar kuantum adalah kenyataan bahwa itu tidak dapat diimplementasikan menggunakan sirkuit kuantum konvensional, yang menggunakan jumlah operasi kotak hitam yang sama.
Dan sekarang pertanyaan yang segera muncul di benak para ilmuwan adalah: apakah mungkin untuk mewujudkan peralihan kuantum ini dalam kondisi laboratorium? Faktanya adalah bahwa pada saat ini, implementasi teknologi semacam itu tidak mengambil keuntungan dari saklar kuantum, karena "kotak hitam" tambahan digunakan. Dalam implementasi seperti itu, urutan dikontrol oleh jalur mana foton memilih, sementara setiap "kotak hitam" (dalam hal ini, pelat gelombang) bertindak tergantung pada polarisasi mereka. Yaitu, foton melewati pelat gelombang pada dua titik berbeda dalam ruang, tergantung pada urutannya. Selain itu, ada minus lain (lebih tepatnya, batasan) - panjang koherensi foton dalam implementasi seperti itu jauh lebih pendek daripada jarak antara dua pelat gelombang. Ini berarti bahwa operasi juga dapat berbeda dalam waktu, karena beberapa di antaranya dapat dieksekusi lebih cepat dengan mengendalikan pelat gelombang.
Para ilmuwan sangat menyadari bahwa implementasi di atas penuh dengan banyak keterbatasan. Itulah sebabnya mereka fokus pada saklar kuantum yang dapat mengatasi keterbatasan ini.
Gambar # 1: saklar kuantum.Gambar №1 menunjukkan skema operasi sakelar kuantum, di mana qubit pengontrol bertanggung jawab atas urutan tertentu di mana dua operasi kuantum A dan B dieksekusi, ditujukan pada target qubit
| ψ⟩t .
1a - ketika qubit pengontrol berada dalam keadaan
| 0⟩ s , maka sebagai hasilnya kita memiliki operasi dari bentuk AB;
1b - ketika qubit pengontrol berada dalam status
| 1⟩ s , hasilnya adalah operasi IA;
1 - jika qubit pengontrol berada dalam keadaan superposisi kuantum 1 / √2 (| 0⟩ + | 1⟩), urutan operasi juga masuk ke dalam superposisi kuantum. Akibatnya, keadaan umum dari sistem pengendalian dan target pada output adalah sebagai berikut:
1d - qubit target
| ψ⟩t dikodekan dalam tingkat kebebasan polarisasi, sementara | 0⟩ dan | 1⟩ adalah jalur foton yang berbeda melalui pelat gelombang. Jalur ini mengimplementasikan operasi A dan B. Karena foton melewati pelat gelombang pada dua titik yang berbeda, kami mendapatkan 4 operasi berbeda: A1, A2 dan B1, B2.
Perlu dicatat bahwa dalam penerapan saklar kuantum, para ilmuwan hanya menggunakan 2 operasi dari jenis "kotak hitam", yang masing-masing hanya digunakan satu kali. Dalam sistem eksperimental, qubit pengontrol dikodekan dalam polarisasi, dan qubit target dikodekan dalam mode spasial transversal foton.
Para peneliti mengatakan minat mereka pada saklar kuantum berasal dari keinginan untuk menerapkan urutan sebab akibat dari tipe kuantum, yang belum pernah dilakukan sebelumnya.
Mengingat hal ini, dalam penelitian ini,
hubungan sebab akibat didefinisikan sebagai kemampuan untuk mengirimkan sinyal antar
peristiwa . Yang kami maksudkan adalah operasi mengubah, menyiapkan, atau mengubah sistem fisik. Sebagai contoh, para ilmuwan mengutip foton yang melewati beberapa lensa. Foton ini mendefinisikan suatu peristiwa.
Struktur sebab akibat adalah jaringan kemungkinan hubungan sebab akibat antara beberapa peristiwa.
Dengan terminologi "lokal" beres, sekarang tentang proses. Pertama, pertimbangkan sistem kausal relativistik. Jika peristiwa A di masa lalu sehubungan dengan peristiwa B, maka kami dapat mengirim sinyal dari A ke B. Jika acara dipisahkan secara spasial (jauh dari satu sama lain di ruang), maka tidak ada pertukaran sinyal.
Di sini perlu diklarifikasi apa “pemisahan spasial” itu, melengkapi konsep ini dengan orang lain yang terkait dengannya.
Bayangkan dua peristiwa terpisah: A dan B. Jika Anda cukup cepat, Anda dapat melihat A dan B. Ini adalah pemisahan sementara. Jika kejadiannya sangat berjauhan, maka untuk melihat Anda berdua, Anda harus bergerak dengan kecepatan cahaya, ini adalah pemisahan cahaya. Jika peristiwa A dan B terpisah lebih jauh, ketika Anda tidak dapat melihat keduanya bergerak dengan kecepatan cahaya, maka ini adalah pemisahan spasial. Ini sedikit penjelasan kasar.
Seperti yang kita lihat dalam diagram di atas, ada dua operasi A dan B. Sebenarnya, ada tiga di antaranya, ada juga operasi C. Lebih lanjut tentang masing-masing.
A dan
B adalah operasi pada sistem target, diimplementasikan di sepanjang dua lengan interferometer. Tapi
C sudah merupakan pengukuran sistem kontrol, yang dilakukan setelah kedua peristiwa A dan B terjadi. Ketiga peristiwa ini harus dikenali oleh saklar kuantum.
Skema percobaan.Sekarang perhatikan skema percobaan yang dilakukan. Seperti yang telah kita ketahui, qubit pengontrol ditentukan oleh polarisasi, oleh karena itu ada dua pemisah sinar polarisasi -
PBS1 dan
PBS2 . PBS1 mengarahkan foton ke peristiwa A atau B, yang mengimplementasikan operasi yang sesuai A dan B pada mode spasial foton. Peristiwa C diwakili oleh pengukuran polarisasi yang menggambarkan
parameter Stokes * dari foton. Untuk memastikan pencocokan mode, lensa digunakan (
L1 dan
L2 dalam diagram).
Parameter Stokes * - seperangkat jumlah yang menggambarkan vektor polarisasi gelombang elektromagnetik.
Sinar laser 100 kHz dengan panjang gelombang 795 nm dengan mode transversa rendah (HG
00 ) digunakan sebagai sumber radiasi. Selanjutnya, sinar laser diubah menjadi mode HG
10 Hermitian-Gaussian dengan melewatkan sinar melalui elemen yang menambahkan fase π ke setengah balok. Hasilnya adalah mode spasial yang merupakan superposisi dari mode Hermitian-Gaussian. Selanjutnya, penyaringan Fourier digunakan untuk menghapus sebagian besar mode tata ruang tingkat tinggi. Dengan demikian, ruang qubit dari sistem target terdiri dari mode spasial orde pertama (| 0⟩ = | HG 10⟩; | 1⟩ = | HG 01⟩). Dan nilai awal dari target qubit | ψ⟩t adalah | 0⟩.
Jadi, melewati pemisah polarisasi PBS1, balok dibagi menjadi dua lengan interferometer (diagram di atas). Di sini, dua operasi kesatuan A dan B beroperasi dalam mode spasial transversal, meskipun dalam kondisi ideal mereka tidak boleh mengubah polarisasi balok. Lengan atas dan bawah terhubung pada pemisah keluaran PBS2. Mod yang dihasilkan dikirim kembali ke PBS1. Lensa memastikan bahwa mode cocok, yaitu mode yang masuk kembali interferometer harus cocok dengan mode asli.
Skema pelaksanaan operasi A dan B.Prisma (
R ) memutar mode melintang yang masuk. Pada suatu waktu, lensa silinder (
C ) mengarah ke π / 2 fase pergeseran komponen Hermitian-Gaussian dari foton yang masuk. Lensa bola (
L ) diperlukan untuk mencapai pencocokan mod. Refleksi pada prisma dapat menyebabkan distorsi polarisasi. Untuk mengkompensasi perubahan ini, gelombang half-plate (
H ) dan quarter-plate gelombang (
Q ) digunakan. Dan φ adalah pelat fase. Untuk mengimplementasikan operasi yang diperlukan, Anda perlu menyesuaikan sudut kemiringan
θ 1 dan
θ 2 . Misalnya, untuk mengubah balok HG
10 ke HG
01, balok harus R (θ
1 ) diputar 45 derajat, dan sudut R (θ
2 ) ditetapkan ke 0.
Dalam percobaan, para ilmuwan mengidentifikasi dua sumber utama kemungkinan kesalahan: mode mismatch dan pengaturan sudut kemiringan yang salah.
Yang disebut "saksi sebab akibat", parameter yang menunjukkan kemampuan peristiwa A dan B untuk berhubungan dengan operasi kesatuan A dan B, bertindak sebagai indikator utama kinerja sistem. Selain itu, parameter Stokes diperhitungkan untuk menentukan parameter ini.
Pemodelan teoritis sistem, sebelum implementasi praktis, menunjukkan bahwa ⟨S⟩ dalam kondisi ideal akan kira-kira sama dengan 0,248. Jika kita mensimulasikan sistem, dengan mempertimbangkan parameternya yang sebenarnya, maka -0.20 ≲ ⟨S⟩ ≲ -0.14.
Eksperimen praktis menunjukkan hasil yang baik: ⟨S⟩ = -0.171 ± 0,009, yang sesuai dengan rentang yang diharapkan. Dengan demikian, para ilmuwan menyimpulkan bahwa sistem mereka bekerja dalam urutan kausal yang tidak terbatas. Landasan dari pencapaian ini, peneliti menyebutnya polarisasi, atau lebih tepatnya, manipulasi dengannya, yang memungkinkan untuk mengimplementasikan sistem dengan cara ini.
Untuk membiasakan diri dengan rincian percobaan, saya sangat merekomendasikan laporan para ilmuwan, tersedia di
sini .
EpilogStudi ini hanya menyentuh permukaan beberapa aspek sains yang kompleks dan rumit seperti mekanika kuantum. Namun, terus bekerja ke arah ini, kata para ilmuwan, mereka akan dapat mencapai hasil yang lebih mengesankan yang dapat mengubah tidak hanya teknologi komputasi, transfer data, dll., Tetapi juga visi kita tentang dunia sebagai seperangkat hukum ilmu pengetahuan alam yang dapat kehilangan status mereka. " tidak bisa dihancurkan. "
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di
sini .
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?