dimabagow

Квантна суперпозиција

Квантна суперпозиција звучи као езотерична глупост после треће флаше коњака. Али то је основно својство квантне физике, на којој се заснивају полупроводници, ласери и МРТ. GPS такође користи атомске сатове и релативистичке корекције; све ове технологије не раде помоћу истог трика са суперпозицијом. На овој скали природа се понаша веома чудно.

Већина људи замишља свет као скуп објеката са јасним стањима. Сијалица или светли или не. Сервер је или пао или ради. Пацијент је или жив или је већ прешао у стање «не захтева даље лечење».

Али квантни свет је уређен другачије.

Шта је то суперпозиција?

Замислите пацијента коме је истовремено постављена дијагноза:

У овој аналогији није реч о неодлучности лекара нити недостатку анализа. Пацијент представља комбинацију стања; такву слику не треба дословно преносити на човека. Звучи као дијагноза самом лекару.

Али управо тако се понаша електрон. Електрон не прати одређену путању као мала куглица. Његово стање може бити суперпозиција више могућих стања. Док не извршите мерење. Док не меримо електрон, његово стање описује таласна функција која може бити суперпозиција више могућих стања. Математички то изгледа отприлике овако:

\[\Psi = a|1\rangle + b|2\rangle + c|3\rangle + \cdots\] Коефицијенти су амплитуде вероватноће. Квадрати њихових апсолутних вредности одређују вероватноће одговарајућих исхода мерења. Ту људима настаје кратак спој: навикли смо на детерминистички свет, а квантна механика каже да исход мерења не мора бити унапред одређен.

Овде стања чине ортонормирану базу мерења, а стање је нормализовано: \(|a|^2+|b|^2+|c|^2+\cdots=1\). Квадрати коефицијената дају вероватноће при мерењу у тој бази, а не за произвољан избор стања која се преклапају.

То је отприлике као када би база података физички садржала све могуће вредности одједном, а SQL упит стварао конкретан запис тек у тренутку извршавања SELECT-а. Сваки CTO би после тога почео нервозно да пуши.

Класични бит и кубит

Обичан бит има једну од две вредности:

0
или
1

Кубит може бити у суперпозицији 0 и 1. То није само наше незнање о томе коју вредност већ има. Разлика је огромна. Замислите обичан сервер. Његова 64 бита могу чувати један конкретан број од 2^64 могућности. Стање 64 кубита може имати амплитуде за све те могућности. Не можемо их све прочитати једним мерењем, али одговарајући алгоритам користи интерференцију амплитуда да пронађе одговор.

Зато квантно рачунарство изазива толико пажње. Оно омогућава рад са огромним просторима стања, мада маркетиншки стручњаци већ десет година причају бајке о „квантном лаптопу за две године“.

Декохеренција: зашто не видимо квантне људе?

Главно питање: ако је свет квантни, зашто не можете истовремено бити код куће и у кафићу? Одговор - декохеренција. Суперпозиција је веома крхка. Да би се квантно стање сачувало, систем мора бити идеално изолован од спољашњег света.

Али макроскопски објекат непрекидно комуницира са окружењем: Један случајни фотон. Један молекул ваздуха. Једна топлотна флуктуација. Интеракција са окружењем може уништити кохерентност и уочљиву интерференцију.

То подсећа на реанимацију: пацијент је у критичном, али реверзибилном стању, а болничар извуче кабл за напајање. За квантни систем израз „информација је умрла” остаје метафора. Кохерентност постаје локално недоступна када информација пређе у корелације са окружењем; сама декохеренција не доказује фундаментално уништење информације.

Зато се суперпроводни квантни процесори хладе скоро до апсолутне нуле, на пример до:

15 мК

15 мК је далеко испод температуре космичког микроталасног позадинског зрачења, приближно 2,7 К. Захтеви за хлађење разликују се код различитих врста квантних уређаја. Топлотна побуђења су један извор шума, а шум је за квантни систем налик сепси.

Експеримент са два прореза

Експеримент са два прореза је посебан ниво лудила. Пропуштамо електроне један по један кроз два прореза и бележимо места погодака на екрану. Без кохерентне везе између путања сабирају се расподеле интензитета појединачних прореза. Уз кохерентност јавља се интерференциони члан са наизменичним максимумима и минимумима; чак и сваки појединачни прорез има сопствену дифракциону обвојницу. Слика настаје постепено од појединачних погодака.

Као да је електрон истовремено прошао кроз оба прореза. При чему један по један. Један електрон. Нема других електрона. Нема ко да интерферира. Он интерферира сам са собом. Природа буквално каже:

«Да, истовремено сам прошао свуда. Има ли питања?»

Ако детектор или окружење сачува потпуно разлучиве записе о томе кроз који је прорез електрон прошао, интерференција путања нестаје из расподеле погодака без условљавања резултатима детектора. Делимична информација о путањи може смањити њену видљивост. Човек не мора да прочита запис: битна је физичка интеракција, а не свест посматрача. Ова предвиђања су више пута проверена.

Али за сто година експеримената цаку нису пронашли.

Примењена страна

Овде почиње најзанимљивије.

Транзистори

Савремени процесори ослањају се на квантна својства електрона у полупроводницима. Тунеловање је такође повезано са таласном природом електрона: користи се у уређајима и постаје озбиљно ограничење при смањивању компоненти.

Када би свет био потпуно класичан, савремени чипови једноставно не би постојали.

Ласери

Фотон може бити у суперпозицији стања. Ласери добијају кохерентно зрачење захваљујући стимулисаној емисији, још једном квантном процесу. Сва оптичка влакна, интернет и дата центри стоје на квантној физици.

Чак и ако неки криптоентузијаста сматра да интернет ради захваљујући његовом NFT-у.

MRI и нуклеарна магнетна резонанца

МРТ користи квантна својства спинова атома водоника. Дакле, огромна медицинска индустрија је буквално изграђена на квантној механици. Пацијент леже у томограф и пролази преглед захваљујући томе што се протони понашају као мали квантни жироскопи.

Квантни рачунари

Овде суперпозиција постаје рачунарски ресурс. Класичан рачунар обрађује одређене вредности битова и може користити алгоритме далеко боље од потпуног претраживања. Квантни рачунар управља амплитудама вероватноће; интерференција помаже само када је одговарајући алгоритам претвори у корисну статистику мерења. Огроман простор стања сам по себи не гарантује убрзање.

То је рад са вероватносним амплитудама. Шоров алгоритам, на пример, факторише целе бројеве у полиномијалном времену, брже од најбољих познатих класичних алгоритама. Зато је криптографија мало нервозна.

Иако је до масовног пробијања RSA још далеко.

А шта се дешава при мерењу?

И овде физичари почињу да се свађају. Постоји неколико интерпретација.

Копенхагенска

Мерење даје одређен исход из стања које је могло бити суперпозиција. У уобичајеном уџбеничком опису то се назива колапсом таласне функције.

Вишесветовна

У овој интерпретацији исходи са ненултим амплитудама остају у различитим декохерентним гранама укупног стања. То је интерпретација, а не експериментално утврђен каталог алтернативних биографија. „Негде сте постали милијардер, а негде сте деплојовали у петак” је шала о тој слици, а не предвиђање баш тих живота.

Теорија скривених параметара

Можда исходе одређују додатне скривене променљиве. Експериментална нарушавања Белових неједнакости искључују локалне скривене параметре под претпоставкама теореме, али не све замисливе теорије скривених параметара. Природа је и даље чуднија од свакодневних представа.

«Не, људи, све је заиста толико лудо».

Зашто је ово важно да разуме инжењер?

Зато што је човечанство ударило у физичке границе.
Технолошки процеси се већ мере јединицама нанометара.
Буквално почињемо да пројектујемо уређаје у којима квантни ефекти више нису грешка, већ основна функционалност.
Следећа генерација технологија градиће се управо на управљању овим стањима.
Квантни сензори.
Квантна криптографија.
Квантне мреже.
Нови материјали.
Нови лекови.
Нови методи моделирања хемије. Називи попут „3 нм” означавају генерацију производног процеса, а не дословну величину сваког дела транзистора.

Закључак

Најнепријатније откриће XX века јесте да реалност фундаментално не личи на наша интуитивна схватања.
Универзум није уредна релациона база података.
Више подсећа на страшно сложен дистрибуирани систем са лењим рачунањем, вероватносним стањима, тркама података и посматрачем који самом чињеницом упита мења резултат.
Било који архитекта система са високим оптерећењем, када би погледао квантну механику, рекао би:
«Ко је уопште ово пројектовао?»

Али, нажалост, тикет подршци Универзума до сада нико није пронашао.