A kvantumösszefonódás felfedezése forradalmi előrelépés • Earth.com

A Structured Light Laboratory kutatócsoportja… Witwatersrand EgyetemDél-Afrika jelentős előrelépést tett a kvantumösszefonódás terén.

Andrew Forbes professzor vezetésével, a neves vonós tudóssal, Robert de Mello Koch-al együttműködve, aki jelenleg a Huzhou Egyetem Kínában a csapat sikeresen bemutatott egy új módszert a kvantum-összefonódott részecskék manipulálására anélkül, hogy megváltoztatná azok belső tulajdonságait.

Ez a bravúr hatalmas lépést jelent a kvantum-összefonódás megértésében és alkalmazásában.

Topológia a kvantumösszefonódásban

„Ezt úgy értük el, hogy két azonos fotont összefontunk, és közös hullámfüggvényt rendeltünk hozzájuk” – magyarázza Pedro Ornelas, a mesterszakos hallgató és a tanulmány vezető szerzője. „Ez a folyamat csak akkor teszi világossá kollektív struktúrájukat, vagy topológiájukat, ha egy fotonnak tekintjük őket. egyetlen entitás.”

Ez a kísérlet a kvantumösszefonódás fogalma körül forog, amelyet „kísérteties távoli cselekvésnek” neveznek, ahol a részecskék befolyásolják egymás állapotát, még akkor is, ha hatalmas távolságok választják el őket egymástól.

A topológia ebben az összefüggésben döntő szerepet játszik. Biztosítja bizonyos tulajdonságok megőrzését, mint ahogy a kávéscsésze és a fánk topológiailag egyenértékűek egyetlen, változatlan lyuk miatt.

„A mi összegabalyodott fotonjaink hasonlóak” – magyarázza Forbes professzor. „Az összefonódásuk rugalmas, de bizonyos tulajdonságok állandóak maradnak.”

A tanulmány kifejezetten a Skyrmion topológiát vizsgálja, egy olyan koncepciót, amelyet Tony Skyrmion vezetett be az 1980-as években. Ebben a forgatókönyvben a topológia egy olyan általános tulajdonságra vonatkozik, amely változatlan marad, például a ruha textúrája, függetlenül attól, hogy hogyan kezelik.

A kvantumösszefonódás alkalmazásai

A Skyrmionokat, amelyeket eredetileg mágneses anyagokban, folyadékkristályokban és optikai megfelelőikben tanulmányoztak, a kondenzált anyag fizikája dicséri stabilitásuk és adattárolási technológiai potenciáljuk miatt.

„Célunk, hogy hasonló átalakító hatásokat érjünk el kvantum-összefonódott skyrmionjainkkal” – teszi hozzá Forbes. Ellentétben a korábbi kutatásokkal, amelyek a Skyrmionok helyét egyetlen pontra korlátozták, ez a tanulmány paradigmaváltást mutat be.

Ahogy Ornelas mondja: „Ma már megértjük, hogy a hagyományosan lokálisnak tekintett topológia valójában lehet nem lokális, és megosztható a térben elkülönült entitások között.”

Ennek megfelelően a csapat a topológia használatát javasolja az összefonódott állapotok osztályozási rendszereként. Dr. Ishaq Naib, a kutatótárs ezt a kusza állapotok ábécéjéhez hasonlítja.

„Ahogyan a mezőket és a fánkokat a lyukak alapján különböztetjük meg, a kvantumszirmionjainkat topológiai jellemzőik alapján osztályozhatjuk” – magyarázza.

Kulcsfontosságú ötletek és jövőbeli kutatások

Ez a felfedezés megnyitja az ajtót az új kvantumkommunikációs protokollok előtt, amelyek a topológiát használják a kvantuminformációk feldolgozásának eszközeként.

Az ilyen protokollok forradalmasíthatják az információ kódolását és továbbítását a kvantumrendszerekben, különösen olyan esetekben, amikor a hagyományos titkosítási módszerek a minimális összefonódás miatt meghiúsulnak.

A lényeg az, hogy ennek a kutatásnak a jelentősége a gyakorlati alkalmazás lehetőségében rejlik. Évtizedek óta komoly kihívást jelent az összekapcsolt államok fenntartása.

A csapat eredményei azt sugallják, hogy a topológia érintetlen maradhat még az összefonódás lebomlása esetén is, új titkosítási mechanizmust biztosítva a kvantumrendszerek számára.

Forbes professzor egy előremutató kijelentéssel zárja: „Most készen állunk új protokollok meghatározására és a nem lokális kvantumállapotok széles körének feltárására, ami forradalmasíthatja a kvantumkommunikációhoz és az információfeldolgozáshoz való hozzáállásunkat.”

Bővebben a kvantumösszefonódásról

Amint fentebb tárgyaltuk, a kvantum-összefonódás lenyűgöző és összetett jelenség a kvantumfizika világában.

Ez egy fizikai folyamat, amelyben a részecskepárok vagy -csoportok térbeli közelséget hoznak létre, kölcsönhatásba lépnek egymással vagy megosztják egymással olyan módon, hogy az egyes részecskék kvantumállapota nem írható le függetlenül a többi részecske állapotától, még akkor sem, ha a részecskéket egy nagy távolság. .

Felfedezés és történelmi kontextus

A kvantumösszefonódás elméletét először 1935-ben Albert Einstein, Boris Podolsky és Nathan Rosen fogalmazta meg. Javasolták az Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradoxont, megkérdőjelezve a kvantummechanika teljességét.

Einstein az összegabalyodást „kísérteties távoli cselekvésként” emlegette, kifejezve azzal a gondolattal kapcsolatos kényelmetlenséget, hogy a részecskék hatalmas távolságokon keresztül azonnal befolyásolhatják egymást.

A kvantumösszefonódás elvei

A kvantumösszefonódás középpontjában a szuperpozíció fogalma áll. A kvantummechanikában a részecskék, például az elektronok és a fotonok szuperpozíciós állapotban léteznek, ami azt jelenti, hogy egyszerre több állapotban is lehetnek.

Amikor két részecske összegabalyodik, úgy kapcsolódnak egymáshoz, hogy az egyik állapota (legyen az spin, pozíció, impulzus vagy polarizáció) azonnal összefügg a másik állapotával, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól.

Kvantumösszefonódás a számítástechnikában és a kommunikációban

A kvantumösszefonódás megkérdőjelezi a fizikai törvények klasszikus fogalmait. Azt jelzi, hogy az információ gyorsabban továbbítható, mint a fénysebesség, ami ellentmond Einstein relativitáselméletének.

Ez azonban nem jelenti azt, hogy a használható információkat azonnal átadják, ami sértené az okozati összefüggést; Inkább kvantumszinten mélyen gyökerező összekapcsolódásra utal.

A kvantum-összefonódás egyik legizgalmasabb alkalmazása a kvantumszámítástechnika területén található. A kvantumszámítógépek összefonódott állapotokat használnak összetett számítások elvégzésére olyan sebességgel, amely a klasszikus számítógépekkel nem érhető el.

A kvantumkommunikációban az összefonódás a kulcsa a rendkívül biztonságos kommunikációs rendszerek fejlesztésének, mint például a kvantumkriptográfia és a kvantumkulcs-elosztás, amelyek elméletileg immunisak a hackelésre.

Empirikus validálás és jelenlegi kutatás

Elméleti kezdete óta a kvantumösszefonódást kísérletileg többször is igazolták, hangsúlyozva furcsa és intuitív természetét.

A leghíresebbek a Bell-teszt kísérletek, amelyek fontos bizonyítékot szolgáltattak a helyi rejtett változó elméletek ellen és a kvantummechanika mellett.

Röviden, a kvantum-összefonódás, a kvantummechanika sarokköve továbbra is intenzív kutatás és vita tárgya. Rejtélyes természete megkérdőjelezi a fizikai világ megértését, és utat nyit a potenciálisan forradalmi technológiai fejlesztések előtt.

A kutatás előrehaladtával egyre több gyakorlati alkalmazást találhatunk ennek a furcsa jelenségnek, amely a kvantum-univerzum több titkát tárja fel.

A teljes tanulmány a folyóiratban jelent meg Természetfotonika.

—

Mint amit olvastam? Iratkozzon fel hírlevelünkre, hogy lebilincselő cikkeket, exkluzív tartalmakat és legújabb frissítéseket kapjon.

Látogasson el hozzánk az EarthSnap-re, egy ingyenes alkalmazásra, amelyet Eric Ralls és az Earth.com hozott Önnek.

—