ציפורים

חמש שימושים מעשיים למכניקת קוונטים 'מפחידה' | מַדָע

מכניקת הקוונטים היא מוזרה. התיאוריה, המתארת ​​את פעולתם של חלקיקים וכוחות זעירים, הפכה את אלברט איינשטיין לשמצה לשמצה כל כך עד שבשנת 1935 הוא ועמיתיו טענו שהוא חייב להיות לא שלם - זה היה מפחיד מכדי להיות אמיתי.

הבעיה היא שנראה כי פיזיקה קוונטית מתריסה עם תפישות השכל הישר של סיבתיות, יישוב וריאליזם. למשל, אתה יודע שהירח קיים גם כשאתה לא מסתכל עליו - זה ריאליזם. סיבתיות אומרת לנו שאם תניע את מתג האור, הנורה תידלק. ובזכות מגבלה קשה על מהירות האור, אם תניע את המתג עכשיו, האפקט הקשור לא יכול להתרחש באופן מיידי במרחק של מיליון שנות אור לפי היישוב. עם זאת, עקרונות אלה מתפרקים בתחום הקוונטי. אולי הדוגמה המפורסמת ביותר היא הסתבכות קוונטית, האומרת כי ניתן לקשר באופן מהותי חלקיקים משני צידי היקום כך שהם חולקים מידע באופן מיידי - רעיון שגרם לאיינשטיין ללעג.

אך בשנת 1964, הפיזיקאי ג'ון סטיוארט בל הוכיח כי פיזיקת הקוונטים היא למעשה תיאוריה שלמה וניתנת לביצוע. התוצאות שלו, שנקראות כעת משפט בל , הוכיח ביעילות שתכונות קוונטיות כמו הסתבכות אמיתיות כמו הירח, וכיום ההתנהגות המוזרה של מערכות קוונטיות נרתמת לשימוש במגוון יישומים בעולם האמיתי. להלן חמש מהמסקרנות ביותר:





שעון סטרונציום, שנחשף על ידי NIST ו- JILA בינואר, ישמור על זמן מדויק למשך 5 מיליארד השנים הבאות.

שעון סטרונציום, שנחשף על ידי NIST ו- JILA בינואר, ישמור על זמן מדויק למשך 5 מיליארד השנים הבאות.(קבוצת יה ובראד באקסלי, ג'ילה)

שעונים מדויקים במיוחד



שעון זמן אמין הוא יותר מאשר רק אזעקת הבוקר שלך. שעונים מסנכרנים את העולם הטכנולוגי שלנו, תוך שמירה על דברים כמו שוקי מניות ומערכות GPS. שעונים סטנדרטיים משתמשים בתנודות קבועות של חפצים פיזיים כמו מטוטלות או גבישי קוורץ כדי לייצר את ה'קרציות 'וה'טוקים' שלהם. כיום, השעונים המדויקים ביותר בעולם, שעונים אטומיים, מסוגלים להשתמש בעקרונות של תורת הקוונטים למדידת זמן. הם עוקבים אחר תדר הקרינה הספציפי הדרוש בכדי לגרום לאלקטרונים לקפוץ בין רמות האנרגיה. ה שעון קוונטי-לוגי במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארה'ב (NIST) בקולורדו רק מאבד או מרוויח שנייה כל 3.7 מיליארד שנה. ושעון סטרונציום של NIST, נחשף מוקדם יותר השנה , יהיה מדויק במשך 5 מיליארד שנים - ארוך יותר מהגיל הנוכחי של כדור הארץ. שעונים אטומיים רגישים במיוחד כאלה עוזרים בניווט GPS, טלקומוניקציה וסקירה.

הדיוק של שעונים אטומיים מסתמך בחלקו על מספר האטומים המשמשים. מוחזק בתא ואקום, כל אטום מודד באופן עצמאי זמן ועוקב אחר ההבדלים המקומיים האקראיים בינו לבין שכניו. אם מדענים דוחסים פי 100 אטומים לתוך שעון אטומי, זה הופך להיות מדויק פי 10 - אבל יש מגבלה על כמה אטומים אתה יכול להידחק. המטרה הגדולה הבאה של החוקרים היא להשתמש בהסתבכות בהצלחה כדי לשפר את הדיוק. אטומים מסובכים לא היו עסוקים בהבדלים מקומיים אלא היו מודדים אך ורק את חלוף הזמן, ומביאים אותם למעשה כמטוטלת אחת. כלומר הוספת פי 100 יותר אטומים לשעון מסובך תגרום לו להיות מדויק פי 100. ניתן לקשר אפילו שעונים מסובכים ליצירת א רשת עולמית שמודד זמן ללא תלות במיקום.

לצופים יהיה קשה לפרוץ להתכתבויות קוונטיות.

לצופים יהיה קשה לפרוץ להתכתבויות קוונטיות.(וולקר סטגר / ספריית תמונות מדע / קורביס)



קודים שאינם ניתנים לפיצוח

קריפטוגרפיה מסורתית עובדת באמצעות מקשים: שולח משתמש במקש אחד כדי לקודד מידע, ונמען משתמש במפתח אחר כדי לפענח את ההודעה. עם זאת, קשה להסיר את הסיכון של האזנת סתר, וניתן לפגוע במפתחות. ניתן לתקן זאת באמצעות הפצת מפתח קוונטי שעלולה להישבר (QKD). ב- QKD, מידע על המפתח נשלח באמצעות פוטונים שעברו קיטוב אקראי. זה מגביל את הפוטון כך שהוא רוטט במישור אחד בלבד - למשל למעלה ולמטה, או משמאל לימין. הנמען יכול להשתמש במסננים מקוטבים כדי לפענח את המפתח ואז להשתמש באלגוריתם שנבחר להצפנת הודעה בצורה מאובטחת. הנתונים הסודיים עדיין נשלחים בערוצי תקשורת רגילים, אך איש אינו יכול לפענח את ההודעה אלא אם כן יש להם את המפתח הקוונטי המדויק. זה מסובך מכיוון שכללים קוונטיים מכתיבים ש'קריאת 'הפוטונים המקוטבים תמיד תשנה את מצבתם, וכל ניסיון להאזנה יזהיר את המתקשרים על הפרת אבטחה.

כיום חברות כגון BBN טכנולוגיות , טושיבה ו מזהה קוונטי השתמש ב- QKD לעיצוב רשתות מאובטחות במיוחד. בשנת 2007 ניסתה שוויץ מוצר מזהה Quantique בכדי לספק מערכת הצבעה חסינת טמפ ' במהלך בחירות. וה העברה בנקאית ראשונה באמצעות QKD מסובך מערכת זו מבטיחה להיות מאובטחת ביותר מכיוון שאם הפוטונים מסתבכים, כל שינוי במצבי הקוונטים שלהם שנעשו על ידי interlopers יהיה ברור לעין מיד לכל מי שעוקב אחר החלקיקים נושאי המפתח. אך מערכת זו עדיין לא עובדת למרחקים גדולים. עד כה הועברו פוטונים מסובכים דרך א מרחק מרבי של כ -88 מייל .

איזה אחוז מהחבר'ה הם הומו
צילום מקרוב של שבב מחשב D-Wave One.

צילום מקרוב של שבב מחשב D-Wave One.(D-Wave Systems, Inc.)

מחשבים סופר-עוצמתיים

מחשב רגיל מקודד מידע כמחרוזת של ספרות בינאריות, או ביטים. מחשבים קוונטיים מעלים כוח עיבוד רב מכיוון שהם משתמשים בסיביות קוונטיות, או בקוביטים, שקיימים בסופרפוזיציה של מצבים - עד שהם נמדדים, הקוביטים יכולים להיות גם '1' וגם '0' בו זמנית.

תחום זה עדיין נמצא בפיתוח, אך היו צעדים בכיוון הנכון. בשנת 2011 חשפה D-Wave Systems את ה- D-Wave One, מעבד של 128 קילו-ביט, ואחריו כעבור שנה גם ה- D-Wave Two של 512 הקיביות. החברה אומרת כי אלה המחשבים הקוונטיים הראשונים בעולם. עם זאת, טענה זו נתקלה בספקנות, בין השאר מכיוון שעדיין לא ברור אם הקוויביטים של D-Wave מסתבכים. מחקרים שפורסמו במאי מצאו עדות להסתבכות אלא רק בתת-קבוצה קטנה של קובצי ה- quebits של המחשב. יש גם אי וודאות אם השבבים מציגים אמינים כלשהם האצה קוונטית . ובכל זאת, נאס'א וגוגל חברו יחד כדי ליצור את מעבדה לבינה מלאכותית קוונטית מבוסס על D-Wave Two. ומדענים באוניברסיטת בריסטול בשנה שעברה חיברו את אחד משבבי הקוונטים המסורתיים שלהם לאינטרנט כדי שכל מי שיש לו דפדפן אינטרנט יוכל ללמוד קידוד קוונטי.

מיקרוסקופ קוונטי

עוקבים היטב אחר ההסתבכות.(אונו ואח ', Arxiv.org)

מיקרוסקופים משופרים

פרח שפורח רק פעם בשנה

בפברואר צוות חוקרים מאוניברסיטת הוקאידו ביפן פיתח את הראשון בעולם מיקרוסקופ משופר הסתבכות , תוך שימוש בטכניקה המכונה מיקרוסקופ ניגוד הפרעות הפרש. סוג זה של מיקרוסקופ יורה שתי קרני פוטונים לעבר חומר ומודד את דפוס ההפרעה שנוצר על ידי הקורות המשתקפות - התבנית משתנה בהתאם אם הם פוגעים במשטח ישר או לא אחיד. שימוש בפוטונים סבוכים מגדיל מאוד את כמות המידע שהמיקרוסקופ יכול לאסוף, מכיוון שמדידת פוטון אחד מסובך נותנת מידע על בן זוגו.

צוות הוקאידו הצליח לדמיין 'Q' חרוט שעמד רק 17 ננומטר מעל הרקע בחדות חסרת תקדים. ניתן להשתמש בטכניקות דומות לשיפור הרזולוציה של כלי אסטרונומיה הנקראים אינטרפרומטרים, אשר מעלים גלי אור שונים בכדי לנתח טוב יותר את תכונותיהם. משתמשים באינטרפרומטרים בציד אחר כוכבי לכת מחוץ לחוץ, כדי לחקור כוכבים סמוכים ולחפש אדוות בזמן המרחב הנקרא גלי כבידה.

הרובין האירופי עשוי להיות טבעי קוונטי.

הרובין האירופי עשוי להיות טבעי קוונטי.(אנדרו פרקינסון / קורביס)

מצפנים ביולוגיים

בני אדם אינם היחידים המשתמשים במכניקת הקוונטים. תאוריה מובילה אחת מציעה שציפורים כמו הרובין האירופאי משתמשות בפעולה המפחידה כדי לעקוב אחר המסלול כשהן נודדות. השיטה כוללת חלבון רגיש לאור הנקרא קריפטוכרום, שעשוי להכיל אלקטרונים מסובכים. כאשר פוטונים נכנסים לעין, הם פוגעים במולקולות הקריפטוכרום ויכולים לספק מספיק אנרגיה כדי לפרק אותם, ויוצרים שתי מולקולות תגובתיות, או רדיקלים, עם אלקטרונים לא מזווגים אך עדיין מסובכים. השדה המגנטי המקיף את הציפור משפיע על משך הזמן שנמשכים הרדיקלים הקריפטוכרומיים הללו. תאים ברשתית הציפור נחשבים רגישים מאוד לנוכחות הרדיקלים המסובכים, ומאפשרים לבעלי החיים 'לראות' ביעילות מפה מגנטית המבוססת על המולקולות.

תהליך זה אינו מובן במלואו, ויש אפשרות אחרת: הרגישות המגנטית של ציפורים יכולה להיות בגלל גבישים קטנים של מינרלים מגנטיים במקורם. ובכל זאת, אם ההסתבכות באמת משחקת, ניסויים מצביעים על כך שהמצב העדין חייב להיות מחזיק מעמד הרבה יותר זמן בעין ציפור מאשר אפילו במערכות המלאכותיות הטובות ביותר. המצפן המגנטי יכול להיות מיושם גם לטאות, סרטנים, חרקים ואפילו יונקים מסוימים. לדוגמה, סוג של קריפטוכרום המשמש לניווט מגנטי בזבובים היה גם כן נמצא בעין האנושית , אם כי לא ברור אם זה היה שימושי או פעם למטרה דומה.





^