Beyond: Een Natuurkundige Vertelde Hoe Je De Wetten Van De Kwantummechanica Kunt Omzeilen - Alternatieve Mening

Inhoudsopgave:

Beyond: Een Natuurkundige Vertelde Hoe Je De Wetten Van De Kwantummechanica Kunt Omzeilen - Alternatieve Mening
Beyond: Een Natuurkundige Vertelde Hoe Je De Wetten Van De Kwantummechanica Kunt Omzeilen - Alternatieve Mening

Video: Beyond: Een Natuurkundige Vertelde Hoe Je De Wetten Van De Kwantummechanica Kunt Omzeilen - Alternatieve Mening

Video: Beyond: Een Natuurkundige Vertelde Hoe Je De Wetten Van De Kwantummechanica Kunt Omzeilen - Alternatieve Mening
Video: Daniel Dennett, Lawrence Krauss and Massimo Pigliucci discuss The Limits Of Science @ Het Denkgelag 2024, Maart
Anonim

Professor in de natuurkunde aan het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen, een van de pioniers van kwantumteleportatie, Eugene Polzik, legde aan RIA Novosti uit waar de grens ligt tussen de 'echte' en 'kwantumwereld', waarom een persoon niet kan worden geteleporteerd en hoe hij erin slaagde materie te creëren met 'negatieve massa'

Vijf jaar geleden implementeerde zijn team voor het eerst een experiment om niet een enkel atoom of lichtdeeltje te teleporteren, maar een macroscopisch object.

Hij was onlangs voorzitter van de internationale adviesraad van het Russian Quantum Center (RQC), ter vervanging van Mikhail Lukin, de maker van een van de grootste kwantumcomputers ter wereld en een wereldleider in kwantumcomputers. Volgens professor Polzik zal hij zich concentreren op het ontwikkelen en realiseren van het intellectuele potentieel van jonge Russische wetenschappers en het versterken van internationale deelname aan het werk van de RCC.

'Eugene, zal de mensheid ooit in staat zijn om meer te teleporteren dan enkele deeltjes of een verzameling atomen of andere macroscopische objecten?

- Je hebt geen idee hoe vaak ik deze vraag krijg - bedankt dat je me niet hebt gevraagd of het mogelijk is om iemand te teleporteren. In zeer algemene termen is de situatie als volgt.

Het universum is een gigantisch object, verstrengeld op kwantumniveau. Het probleem is dat we niet alle vrijheidsgraden van dit object kunnen "zien". Als we een groot object in zo'n systeem nemen en het proberen te beschouwen, dan zullen de interacties van dit object met andere delen van de wereld aanleiding geven tot een zogenaamde "gemengde toestand" waarin geen verstrengeling is.

Het zogenaamde monogamieprincipe werkt in de kwantumwereld. Het komt tot uiting in het feit dat als we twee idealiter verstrengelde objecten hebben, beide niet dezelfde sterke 'onzichtbare verbindingen' kunnen hebben met andere objecten van de omringende wereld, zoals met elkaar.

Eugene Polzik, professor aan het Niels Bohr Institute in Kopenhagen en hoofd van de internationale adviesraad van de RCC. Foto: RCC
Eugene Polzik, professor aan het Niels Bohr Institute in Kopenhagen en hoofd van de internationale adviesraad van de RCC. Foto: RCC

Eugene Polzik, professor aan het Niels Bohr Institute in Kopenhagen en hoofd van de internationale adviesraad van de RCC. Foto: RCC.

Promotie video:

Terugkomend op de kwestie van kwantumteleportatie: dit betekent dat in principe niets ons belet een object ter grootte van ten minste het hele universum te verwarren en te teleporteren, maar in de praktijk zal het ons beletten al deze verbindingen tegelijkertijd te zien. Daarom moeten we macro-objecten isoleren van de rest van de wereld wanneer we dergelijke experimenten uitvoeren, en ze alleen laten interageren met de "noodzakelijke" objecten.

In onze experimenten was het bijvoorbeeld mogelijk om dit te bereiken voor een wolk met een biljoen atomen, vanwege het feit dat ze zich in een vacuüm bevonden en in een speciale val werden vastgehouden die hen van de buitenwereld isoleerde. Deze camera's zijn trouwens ontwikkeld in Rusland - in het laboratorium van Mikhail Balabas aan de St. Petersburg State University.

Later gingen we verder met experimenten met grotere objecten die met het blote oog te zien zijn. En nu doen we een experiment met de teleportatie van trillingen die ontstaan in dunne membranen van diëlektrische materialen van millimeter bij millimeter.

Aan de andere kant ben ik persoonlijk meer geïnteresseerd in andere gebieden van de kwantumfysica, waarin, naar mijn mening, in de nabije toekomst echte doorbraken zullen plaatsvinden. Ze zullen zeker iedereen verrassen.

Waar precies?

- We weten allemaal heel goed dat de kwantummechanica ons niet in staat stelt alles te weten wat er in de wereld om ons heen gebeurt. Vanwege het Heisenberg-onzekerheidsprincipe kunnen we niet alle eigenschappen van objecten gelijktijdig met de hoogst mogelijke nauwkeurigheid meten. En in dit geval verandert teleportatie in een hulpmiddel waarmee we deze beperking kunnen omzeilen en geen gedeeltelijke informatie over de toestand van het object overbrengen, maar het hele object zelf.

Dezelfde wetten van de kwantumwereld beletten ons om het bewegingspad van atomen, elektronen en andere deeltjes nauwkeurig te meten, omdat het mogelijk is om de exacte snelheid van hun beweging of hun positie te achterhalen. In de praktijk betekent dit dat de nauwkeurigheid van allerlei soorten druk-, bewegings- en versnellingssensoren strikt wordt beperkt door de kwantummechanica.

Onlangs hebben we ons gerealiseerd dat dit niet altijd het geval is: het hangt allemaal af van wat we bedoelen met "snelheid" en "positie". Als we tijdens dergelijke metingen bijvoorbeeld geen klassieke coördinatensystemen gebruiken, maar hun kwantum-tegenhangers, dan zullen deze problemen verdwijnen.

Met andere woorden, in het klassieke systeem proberen we de positie van een bepaald deeltje te bepalen ten opzichte van, grofweg, een tafel, stoel of een ander referentiepunt. In een kwantumcoördinatensysteem zal de nul een ander kwantumobject zijn waarmee het systeem dat voor ons van belang is, samenwerkt.

Het bleek dat de kwantummechanica het mogelijk maakt om beide parameters - zowel de bewegingssnelheid als het traject - met een oneindig hoge nauwkeurigheid te meten voor een bepaalde combinatie van eigenschappen van het referentiepunt. Wat is deze combinatie? Een wolk van atomen die dient als de nul van het kwantumcoördinatensysteem moet een effectieve negatieve massa hebben.

In feite hebben deze atomen natuurlijk geen ‘gewichtsproblemen’, maar ze gedragen zich alsof ze een negatieve massa hebben, omdat ze op een speciale manier ten opzichte van elkaar zijn gelokaliseerd en zich in een speciaal magnetisch veld bevonden. In ons geval leidt dit ertoe dat de versnelling van het deeltje afneemt, maar zijn energie niet verhoogt, wat absurd is vanuit het oogpunt van de klassieke kernfysica.

Dit helpt ons om van de willekeurige veranderingen in de positie van deeltjes of hun bewegingssnelheid af te komen die optreden wanneer we hun eigenschappen meten met lasers of andere fotonenbronnen. Als we een wolk van atomen met 'negatieve massa' in het pad van deze straal plaatsen, dan zal deze eerst met hen in wisselwerking treden, dan zal hij door het te bestuderen object vliegen, deze willekeurige verstoringen elimineren elkaar, en we zullen in staat zijn om alle parameters met een oneindig hoge nauwkeurigheid te meten.

Dit alles is verre van theorie - een paar maanden geleden hebben we deze ideeën al experimenteel getest en het resultaat gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Zijn hier praktische toepassingen voor?

- Een jaar geleden zei ik al tijdens een toespraak in Moskou dat een soortgelijk principe van het "verwijderen" van kwantumonzekerheid kan worden gebruikt om de nauwkeurigheid van het werk van LIGO en andere zwaartekrachtobservatoria te verbeteren.

Toen was het maar een idee, maar nu begint het vorm te krijgen. We werken aan de implementatie ervan samen met een van de pioniers van kwantummetingen en een deelnemer aan het LIGO-project, professor Farid Khalili van RCC en Moscow State University.

We hebben het natuurlijk niet over het installeren van een dergelijk systeem op de detector zelf - dit is een zeer gecompliceerd en tijdrovend proces, en LIGO heeft zelf plannen waar we eenvoudigweg niet op kunnen ingaan. Aan de andere kant zijn ze al geïnteresseerd in onze ideeën en staan ze klaar om verder naar ons te luisteren.

In ieder geval moet je eerst een werkend prototype van zo'n installatie maken, waaruit blijkt dat we echt over de grens kunnen stappen in meetnauwkeurigheid opgelegd door het Heisenberg onzekerheidsprincipe en andere wetten van de kwantumwereld.

De eerste experimenten van dit type gaan we doen op een tien meter lange interferometer in Hannover, een kleinere kopie van LIGO. We assembleren nu alle benodigde componenten voor dit systeem, inclusief een standaard, lichtbronnen en een atoomwolk. Als het ons lukt, weet ik zeker dat onze Amerikaanse collega's naar ons zullen luisteren - er zijn nog geen andere manieren om de kwantumgrens te omzeilen.

Zullen de voorstanders van deterministische kwantumtheorieën, die geloven dat kansen niet bestaan in de kwantumwereld, dergelijke experimenten beschouwen als een bewijs van de juistheid van hun ideeën?

- Om eerlijk te zijn, ik weet niet wat ze ervan vinden. Volgend jaar organiseren we in Kopenhagen een conferentie over de grens tussen klassieke en kwantumfysica en vergelijkbare filosofische kwesties, en ze kunnen aanwezig zijn als ze hun visie op dit probleem willen presenteren.

Zelf houd ik me aan de klassieke Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica, en ik geef toe dat golffuncties niet beperkt zijn in omvang. Tot nu toe zien we geen tekenen dat de bepalingen ervan ergens worden overtreden of in strijd zijn met de praktijk.

Laboratorium voor kwantumoptica in het Russische kwantumcentrum. Foto: RCC
Laboratorium voor kwantumoptica in het Russische kwantumcentrum. Foto: RCC

Laboratorium voor kwantumoptica in het Russische kwantumcentrum. Foto: RCC.

In de afgelopen jaren hebben natuurkundigen talloze tests uitgevoerd op de ongelijkheden van Bell en de Einstein-Podolski-Rosen-paradox, die de mogelijkheid volledig uitsluiten dat verborgen variabelen of andere dingen die buiten het bereik van de klassieke kwantumtheorie vallen, het gedrag van objecten op kwantumniveau kunnen bepalen.

Een paar maanden geleden was er bijvoorbeeld een ander experiment dat alle mogelijke 'gaten' in de vergelijkingen van Bell sloot die door voorstanders van de theorie van verborgen variabelen werden gebruikt. Het enige wat ons rest is, om Niels Bohr en Richard Feynman te parafraseren, "zwijg en experimenteer": het lijkt mij dat we onszelf alleen die vragen moeten stellen die door experimenten kunnen worden beantwoord.

Als we teruggaan naar kwantumteleportatie - gezien de problemen die u hebt beschreven: zal het dan toepassing vinden in kwantumcomputers, communicatiesatellieten en andere systemen?

- Ik ben er zeker van dat kwantumtechnologieën steeds meer communicatiesystemen zullen binnendringen en snel ons dagelijks leven zullen binnendringen. Hoe precies is nog niet duidelijk - informatie kan bijvoorbeeld zowel via teleportatie als via gewone glasvezellijnen worden verzonden met behulp van kwantumsleuteldistributiesystemen.

Kwantumgeheugen zal op zijn beurt, denk ik, na een tijdje ook werkelijkheid worden. Het zal minimaal nodig zijn om repeaters te creëren voor kwantumsignalen en -systemen. Aan de andere kant is het moeilijk te voorspellen hoe en wanneer dit alles zal worden geïmplementeerd.

Vroeg of laat wordt kwantumteleportatie niet exotisch, maar een alledaags iets dat iedereen kan gebruiken. Het is natuurlijk onwaarschijnlijk dat we dit proces zullen zien, maar de resultaten van het werk, inclusief beveiligde datatransmissienetwerken en satellietcommunicatiesystemen, zullen een grote rol in ons leven spelen.

Hoe ver zullen kwantumtechnologieën doordringen in andere gebieden van wetenschap en leven die geen verband houden met IT of natuurkunde?

- Dit is een goede vraag, die nog moeilijker te beantwoorden is. Toen de eerste transistors verschenen, dachten veel wetenschappers dat ze alleen in gehoorapparaten zouden kunnen worden gebruikt. Dit is wat er gebeurde, hoewel nu slechts een zeer klein deel van de halfgeleiderinrichtingen op deze manier wordt gebruikt.

Desalniettemin lijkt het mij dat er inderdaad een kwantumdoorbraak zal komen, maar niet overal. Zo zullen alle gadgets en apparaten die interactie hebben met de omgeving en op de een of andere manier de eigenschappen ervan meten, onvermijdelijk de kwantumgrens bereiken, die we al hebben besproken. En onze technologieën helpen hen om deze limiet te omzeilen, of op zijn minst interferentie te minimaliseren.

Bovendien hebben we een van deze problemen al opgelost door dezelfde "negatieve massa" -benadering te gebruiken, door kwantummagneetveldsensoren te verbeteren. Dergelijke apparaten kunnen zeer specifieke biomedische toepassingen vinden - ze kunnen worden gebruikt om het werk van het hart en de hersenen te volgen, de kans op een hartaanval en andere problemen te beoordelen.

Mijn collega's van de RCC doen iets soortgelijks. Nu bespreken we samen wat we hebben bereikt, proberen we onze benaderingen te combineren en iets interessants te krijgen.

Aanbevolen: