Упрощенная наука: что такое квантовая механика?

Что такое квантовая механика?

Представьте себе мир, в котором объекты могут существовать одновременно в двух местах или влиять друг на друга со всей вселенной.

Хотя мы не видим такого рода вещей в нашей повседневной жизни, подобные курьёзы, похоже, существуют повсюду вокруг нас в фундаментальном поведении нашей Вселенной и её мельчайших строительных блоках. Эти своеобразные характеристики природы описываются разделом физики, называемым квантовой механикой.

В этом видеоролике «Наука 101: Что такое квантовая механика» Кэтрин Хармон – аргоннский ученый из отдела материаловедения – объясняет, что такое квантовая механика. Квантовая механика — это теория, которая рассматривает самые фундаментальные частицы материи, энергии и света, а также способы их взаимодействия друг с другом, образуя мир. Эта знаковая теория возникла в начале 20-го века и находит множество практических применений в 21-м веке. Применяя квантовую механику в лаборатории, учёные из Аргонна, такие как Хармон и многие другие, разрабатывают технологии, которые однажды смогут изменить общество и наше понимание Вселенной. Квантовые датчики могут обнаруживать ранее не обнаруживаемые раковые клетки. Квантовый Интернет может обеспечить неуязвимую передачу сообщений и данных. Квантовые компьютеры могут решить сложные проблемы, которые не могут решить классические компьютеры. Квантовая теория также продолжит расширять наши знания о Вселенной, начиная со сложной динамики глубоко внутри ее. атом к космическим событиям, столь же грандиозным, как рождение Вселенной.

В начале 1900-х годов ученые начали развивать квантовую механику, чтобы объяснить результаты ряда экспериментов, не поддающихся никакой другой интерпретации. Сегодня ученые используют эту теорию для создания мощных технологий — не поддающейся взлому передачи сообщений, более быстрого открытия лекарств и более качественного изображения на экранах вашего телефона и телевизора.

Итак, что такое квант? В более общем смысле слово «квант» может относиться к наименьшему возможному количеству чего-либо. Область квантовой механики занимается наиболее фундаментальными частицами материи, энергии и света, а также способами, которыми они взаимодействуют друг с другом, образуя мир.

В отличие от того, как мы обычно думаем о мире, когда мы представляем, что вещи обладают свойствами частиц или волн по отдельности (например, бейсбольные мячи и океанские волны), такие представления не работают в квантовой механике. В зависимости от ситуации ученые могут наблюдать один и тот же квантовый объект как частицы или волны. Например, свет нельзя рассматривать только как фотон (легкая частица) или только световая волна, потому что в разных экспериментах мы можем наблюдать оба типа поведения.

Изо дня в день мы видим вещи в одном «состоянии» за раз: здесь или там, движущиеся или неподвижные, перевернутые или перевернутые. Состояние объекта в квантовой механике не всегда так однозначно. Например, прежде чем мы попытаемся определить местоположение набора квантовых объектов, они могут существовать в так называемой суперпозиции — или комбинации особого типа — одного или нескольких местоположений. Различные возможные состояния комбинируются и мешают друг другу, как волны в пруду, и объекты обретают определенное положение только после того, как мы посмотрим. Суперпозиция — одна из главных особенностей, делающих возможным существование квантовых компьютеров, поскольку она позволяет нам представлять информацию новыми и полезными способами.

Еще одним интересным квантовым поведением является туннелирование, при котором квантовый объект, например электрон, иногда может проходить сквозь барьеры, через которые в противном случае он не смог бы пройти. Это происходит потому, что суперпозиция допускает небольшую вероятность того, что электрон окажется по другую сторону барьера. Квантовое туннелирование находит применение в устройствах флэш-памяти, мощных микроскопах и квантовых компьютерах.

Когда квантовые объекты взаимодействуют, они связаны друг с другом посредством связи, называемой запутанностью. Эта связь сохраняется, даже если объекты разделены большими расстояниями. Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии». Ученые используют его для сверхзащищенной связи, и это важная функция в квантовые вычисления.

В Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) ученые используют опыт и исследовательские возможности мирового класса для разработки квантовых технологий для хранения, транспортировки и защиты информации, а также для исследования нашей Вселенной, начиная со сложной динамики глубоко внутри атома. к таким грандиозным событиям, как рождение самой Вселенной. Аргонн также возглавляет Q-NEXT, национальный исследовательский центр квантовой информатики Министерства энергетики, занимающийся разработкой квантовых материалов и устройств и использованием возможностей квантовых технологий для связи.

Что такое квантовая информатика?

Использование нелогичного поведения на атомном уровне для создания мощных изменений в информатике в практическом масштабе.

Ученые стремятся разработать квантовые системы, которые смогут хранить, транспортировать, манипулировать и защищать информацию.

Кубиты — квантовые биты — являются фундаментальными компонентами квантовых вычислений и других квантовых информационных систем. Они аналогичны битам в классических компьютерах: 0 или 1. Что делает кубиты действительно странными, так это то, что они могут одновременно иметь и 0, и 1. Это перекрывающееся состояние дает квантовым компьютерам чрезвычайно большую мощность. Сам кубит может принимать самые разные формы — электроны, частицы света и даже крошечные дефекты в материалах с высокой структурой.

Ученые стремятся создать кубиты, которые сохраняют информацию в своих квантовых состояниях в течение нескольких секунд («когерентность») и могут связываться с другими кубитами («запутывание»).

Квантовые технологии могут изменить национальную и финансовую безопасность, открытие лекарств, а также разработку и производство новых материалов, одновременно углубляя наше понимание Вселенной.