211service.com
Jak eksperyment na stole może przetestować podstawę rzeczywistości?
Diagram na górze obrazu chmury Zdjęcie źródłowe: Unsplash
Oto ciekawy eksperyment myślowy. Wyobraź sobie chmurę splątanych cząstek kwantowych — innymi słowy, dzielą tę samą kwantową egzystencję. Zachowanie tych cząstek jest chaotyczne. Celem tego eksperymentu jest przesłanie kwantowej wiadomości przez ten zestaw cząstek. Tak więc wiadomość musi zostać wysłana po jednej stronie chmury, a następnie wyodrębniona z drugiej.
Pierwszym krokiem jest więc podzielenie obłoku przez środek, tak aby cząstki po lewej stronie mogły być kontrolowane oddzielnie od tych po prawej. Następnym krokiem jest wstrzyknięcie wiadomości do lewej części chmury, gdzie chaotyczne zachowanie cząstek szybko ją miesza.
Czy taką wiadomość można kiedykolwiek rozszyfrować?
W nowym artykule Adam Brown z Google w Kalifornii wraz z kilkoma współpracownikami, w tym Leonardem Susskindem z Uniwersytetu Stanforda, ojcem teorii strun, omawia dokładnie, w jaki sposób można sprawić, by taka wiadomość niespodziewanie pojawiła się ponownie.
Niespodzianką jest to, co dzieje się dalej, mówią. Po okresie, w którym wiadomość wydaje się być całkowicie zaszyfrowana, nagle się rozszyfrowuje i ponownie łączy w miejscu daleko od miejsca, w którym została pierwotnie umieszczona. Mówią, że sygnał nieoczekiwanie zmienił ostrość, nie wiadomo jednak, co to było za obiektyw.
Ale naprawdę niezwykłą rzeczą, którą podkreślają, jest to, że taki eksperyment rzuca światło na jedną z najgłębszych tajemnic wszechświata: kwantową naturę grawitacji i czasoprzestrzeni.
Najpierw wyjaśnienie tła. Klucz do zrozumienia tego eksperymentu myślowego leży w naturze zjawisk emergentnych. Brown i wsp. twierdzą, że układy kwantowe mogą przedstawiać wyłaniające się zjawiska w taki sam sposób, jak robią to zwykłe układy.
Na przykład, gdy dwie osoby rozmawiają ze sobą, zjawisko to jest trudne do zrozumienia z punktu widzenia modelowania każdej pojedynczej cząsteczki w powietrzu. Pomieszczenie, w którym rozmawiają, może zawierać miliard miliardów miliardów cząsteczek, z których każda zderza się z drugą co dziesiątą część nanosekundy.
Rozmowa i tak trwa. Komunikacja jest możliwa pomimo chaosu, ponieważ system mimo wszystko posiada wyłaniające się kolektywne tryby – fale dźwiękowe – które zachowują się w uporządkowany sposób, piszą Brown i jego koledzy.
Podobne zjawisko działa na poziomie kwantowym. I to właśnie to wyłaniające się zjawisko, jak twierdzą Brown i jego koledzy, przekierowuje przesłanie kwantowe we wcześniejszym przykładzie.
Piszą, że gdy efekty kwantowe są ważne, złożone wzorce splątania mogą dać początek jakościowo nowym rodzajom powstających zjawisk zbiorowych. Skrajnym przykładem tego rodzaju emergencji jest właśnie holograficzne generowanie czasoprzestrzeni i grawitacji z uwikłania, złożoności i chaosu.
Dlatego ten eksperyment myślowy jest przedmiotem tak dużego zainteresowania. Pozwala fizykom pomyśleć o prostym przykładzie powstającego zjawiska kwantowego oraz o tym, jak mogą je stworzyć i przetestować w laboratorium.
Jak więc mogliby przeprowadzić taki eksperyment? Brown i spółka twierdzą, że można do tego podejść na kilka sposobów. Pierwszym krokiem jest stworzenie zestawu splątanych stanów kwantowych, które można następnie rozdzielić na dwa zestawy, które należy obsługiwać oddzielnie.
Jednym ze sposobów, aby to zrobić, jest utworzenie kolekcji splątanych par, znanych jako pary Bella. Brown i wsp. zauważają, że te pary zostały już utworzone przy użyciu atomów rubidu i uwięzionych jonów.
Następnym krokiem jest wprowadzenie informacji kwantowych do połowy tych stanów kwantowych. Ostatnim krokiem jest kontrolowanie ewolucji kwantowej drugiej połowy stanów kwantowych w sposób umożliwiający ponowne pojawienie się wiadomości.
Jednak przeprowadzono już eksperymenty, które przeprowadzają takie szyfrowanie kwantowe, w którym informacje są rozprowadzane w systemie kwantowym, a następnie odzyskiwane. W szczególności opublikowano grupę z University of Maryland w College Park wraz ze współpracownikami z University of California w Berkeley oraz Perimeter Institute of Theoretical Physics w Waterloo w Ontario. artykuł w Naturze w marcu 2019 r. opisując ich udane wysiłki, aby to zrobić.
Wykorzystali komputer kwantowy składający się z łańcucha dziewięciu jonów iterbu, które są chłodzone przez lasery, gdy są trzymane w pułapce częstotliwości radiowych. Naukowcy z UMD zaimplementowali obwód siedmiu kubitów w środkowej siódemce z dziewięciu jonów. Pierwszy kubit został zaszyfrowany na trzy pary kubitów, co rozłożyło zawarte w nim informacje na łącznie sześć kubitów (z których jeden był oryginalnym kubitem). Następnie zmierzyli siódmy kubit, który został sparowany z szóstym kubitem. Przy wierności około 80% siódmy kubit okazał się być w stanie kwantowym nie do odróżnienia od oryginalnego pierwszego kubitu.
Interpretacja tego wyniku nie jest prosta, jednak grupa wykonała kilka eksperymentów kontrolnych, które z przyczyn technicznych zbyt subtelnych, aby je tutaj wyjaśnić, potwierdziły ich twierdzenie, że informacje początkowo zakodowane tylko w pierwszym kubicie zostały naprawdę zdelokalizowane w całym systemie.
Teleportacja wywołana szyfrowaniem zaobserwowana w naszym eksperymencie może zostać zreinterpretowana jako symulacja propagacji informacji przez przejezdny tunel czasoprzestrzenny, który łączy parę czarnych dziur, zauważa artykuł w Nature.
Takie eksperymenty sugerują szereg ekscytujących możliwości. Umiejętność zabawy analogami do wyłaniającej się formy czasoprzestrzeni umożliwia testowanie pewnych idei dotyczących grawitacji kwantowej.
Brown i spółka są wyraźnie podekscytowani. Piszą: Technologia sterowania złożonymi kwantowymi układami wielociałowymi szybko się rozwija i wydaje się, że jesteśmy u progu nowej ery w fizyce — badania grawitacji kwantowej w laboratorium.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1911.06314 : Grawitacja kwantowa w laboratorium: Teleportacja według rozmiaru i przejezdne tunele czasoprzestrzenne.
Korekta: 14 stycznia 2020 r.
Ta historia pierwotnie mówiła: Najważniejsze jest to, że tego rodzaju eksperymenty wykraczają poza stan obecnej sztuki kwantowej. Ale może to być możliwe w ciągu najbliższych kilku lat, biorąc pod uwagę tempo, w jakim fizycy rozwijają swoje umiejętności kwantowe. To stwierdzenie było błędne. Tekst został zredagowany w celu odzwierciedlenia eksperyment z uwięzionymi jonami zgłoszone w numerze Nature z 6 marca 2019 r., który dokonuje dokładnie tego rodzaju szyfrowania, teleportacji i dekodowania, o którym mowa.
Ta historia została dalej zredagowana z oryginalnej wersji, aby odzwierciedlić fakt, że chociaż artykuł Browna i in. opublikowany 14 listopada 2019 r., z pewnością skłania do myślenia, nie jest to pierwszy artykuł sugerujący, że eksperymenty z komputerowymi obliczeniami kwantowymi mogą być użytecznym i interesującym sposobem na uzyskanie wglądu w grawitację kwantową.
Ta historia została również zredagowana przez cały czas dla jasności.
MIT Technology Review żałuje błędów.