La kvantna superpozicija Gre za koncept, ki se vedno bolj sliši. Ta lastnost narave se uporablja v zametkih kvantnih računalnikov, kvantne teleportacije in kvantnega interneta. Vendar pa obstaja veliko ljudi, ki kvantne superpozicije ne poznajo dobro in jim zveni kitajsko.
V tem članku vam bomo povedali, kaj je kvantna superpozicija, njene značilnosti in pomen.
Kaj je kvantna superpozicija
Kvantna superpozicija je temeljno načelo kvantne mehanike, ki izraža sočasen obstoj fizičnega sistema, kot je elektron, v vseh njegovih možnih teoretičnih stanjih. Ko ga opazujemo, se lahko "sesede" le v eno od teh konfiguracij. Ta "zamrznitev" je naključna, vendar temelji na zakonih verjetnosti.
Eden od načinov za razumevanje kvantne superpozicije, vsaj na poenostavljen način, je razmišljanje, da je delec lahko v dveh vzbujenih stanjih hkrati, vendar ko ga enkrat opazimo, razkrije samo eno od njiju. Tako se superpozicija pogosto uporablja v kvantnem računalništvu. "Qubit" ali qubit lahko sprejme obe vrednosti 0 in 1; za razliko od bita mora biti bit 0 ali 1.
To stanje kvantne superpozicije je rezultat teoretičnega predloga francoskega vojvode Louisa de Broglieja, ki je leta 1924 predlagal, da elektroni niso delci, ampak valovi. To pomeni, da elektroni niso "kroglice" snovi s klasičnimi interakcijami (kot so trki med biljardnimi kroglami), temveč valovi, ki potujejo skozi vesolje. To je resnično.
Kvantna superpozicija elektronov
Če si elektrone predstavljamo kot "kroglice", nam vsota enega in drugega daje napačno predstavo o tem, kako se snov obnaša, ker si jih predstavljamo zložene kot krogle. Nekateri so zgoraj, nekateri spodaj, nekateri pa ob straneh. Vendar materija ne deluje tako na kvantnem nivoju, temveč le na makroskopskem nivoju. To je naše.
Pojav kvantne superpozicije je lažje razumeti, saj stališče, da se snov obnaša kot valovi. V nasprotju s snovjo se valovi lahko prekrivajo. Na kvantnem nivoju se materija obnaša kot valovanje in zgodi se nekaj zanimivega: materija se lahko »dodaja« ena drugi.
V naravi lahko opazimo zanimivo analogijo. Naslednja slika prikazuje valovanje, ki ga vodne kapljice pustijo na površini vode. Je krožno valovanje, ki se širi po površini. To bo vedel vsak, ki je kdaj vrgel kamen v jezero. Načeloma je vsak val neodvisen.
Vendar pa do superpozicije valov pride vedno, ko dva vala sovpadata. Se pravi, seštejte ali odštejte njihove velikosti. Ko se oba grebena srečata, se voda zelo dvigne. Kjer sta dve dolini, vidimo kotanje. Če vrhovi sovpadajo z dolinami, bo vsota valov povzročila preklic.
Valovanje in kvantna superpozicija
Če so elektroni valovi, ki se premikajo skozi vesolje, lahko njihovi valovi počnejo stvari, podobne tistim, ki se pojavljajo v vodi. Pojav je veliko bolj zapleten, a tukaj je način, kako ga poenostaviti. Toda vprašanje, ki skrbi mnoge, je: kje so elektroni?
Po zakonih kvantne mehanike, kvantna superpozicija se lahko pojavi, dokler delcev ne opazujemo. Takrat valovna funkcija (tista, ki opisuje verjetnost, da ima delec eno ali drugo stanje, tako predstavljamo sisteme delcev) kolapsira oziroma je definirana kot bolj specifična valovna funkcija.
Čeprav ni povsem pravilna, lahko uporabimo naslednjo analogijo. Helijev balon lebdi v temni sobi. Prvič, nemogoče je natančno vedeti, kje je balon, ker obstajajo zelo zapleteni zračni tokovi, ki premikajo balon z ene strani na drugo. Možno je določiti verjetnost, da se balon nahaja na enem ali drugem mestu. To je njegova valovna funkcija.
Kako veš, kje je zdaj? Kako narediti valovno funkcijo "kolaps"? Eksperiment, ki ga je mogoče izvesti, je metanje pikada. Če gre puščica tja, kjer balona ni, ne slišimo nobenega zvoka. Če pa gre puščica skozi balon, slišimo eksplozijo. Zaključek je: balon bo določil svoj položaj ne glede na to, ali ga puščica zadene ali ne. To pomeni, da se bo v fizičnem smislu "zrušil" in pokazal, kje je.
Čeprav primer z balonom ni popolna analogija, pomaga razumeti, kako so lahko elektroni istočasno porazdeljeni v določeni regiji prostora in kako lahko šele, ko ga pogledate, ugotovite, kaj je.
Pripomoček danes
Če je ta lastnost tako zanimiva, je to zato, ker bi jo lahko uporabili za izdelavo kvantnih računalnikov. Leta 2016 je skupina raziskovalcev izkoristila kvantne lastnosti snovi, vključno s superpozicijskimi stanji, da bi omogočila prenos informacij na velike razdalje.
V 2017, druga ekipa je uspešno teleportirala kvantno stanje med dvema povezanima vozliščema. Leta 2022 je skupini raziskovalcev uspelo teleportirati kvantno stanje med dvema nepovezanima vozliščema, zahvaljujoč dejstvu, da so bila vozlišča Alice, Bob in Charlie povezana eno za drugim. S temi poskusi je mogoče zgraditi bolj zanesljiv internet.
Trenutno znanstveniki raziskujejo načine, kako izkoristiti to lastnost za reševanje problemov, ki bi se jih s klasičnimi računalniki zelo težko ali celo nemogoče lotiti. V kvantnem računalniku so klasični biti (0 ali 1) nadomeščeni s kubiti, ki lahko se prekrivajo, kar pomeni, da lahko predstavljajo 0 in 1 hkrati. To omogoča kvantnemu računalniku, da raziskuje več rešitev hkrati, kar ima za posledico ogromen potencial za reševanje kompleksnih problemov na področjih, kot so kriptografija, simulacija materialov in optimizacija.
Druga zanimiva aplikacija je varna kvantna komunikacija. Zaradi lastnosti kvantne superpozicije je vsak poskus posega v posredovano informacijo takoj zaznan, kar bi lahko privedlo do praktično neprebojnih komunikacijskih sistemov in zagotovilo zasebnosti informacij.
Upam, da boste s temi informacijami izvedeli več o kvantni superpoziciji, njenih značilnostih in uporabnosti.