Zespół badaczy z Laboratorium Światła Strukturalnego w Uniwersytet WitwatersrandRepublika Południowej Afryki poczyniła znaczne postępy w zakresie splątania kwantowego.
Prowadzone przez profesora Andrew Forbesa, we współpracy ze znanym naukowcem zajmującym się strunami Robertem de Mello Kochem, który obecnie pracuje w Uniwersytet Huzhou W Chinach zespół z powodzeniem zademonstrował nowy sposób manipulowania splątanymi cząstkami kwantowymi bez zmiany ich swoistych właściwości.
Ten wyczyn stanowi ogromny krok w naszym zrozumieniu i zastosowaniu splątania kwantowego.
Topologia w splątaniu kwantowym
„Osiągnęliśmy to poprzez splątanie dwóch identycznych fotonów i przypisanie im wspólnej funkcji falowej” – wyjaśnia Pedro Ornelas, student studiów magisterskich i główny autor badania. „Proces ten sprawia, że ich zbiorowa struktura, czyli topologia, staje się jasna tylko wtedy, gdy rozważy się je jako pojedyńcza jednostka.”
Eksperyment ten opiera się na koncepcji splątania kwantowego, określanego jako „upiorne działanie na odległość”, w którym cząstki wpływają na swoje stany, nawet jeśli są oddzielone ogromnymi odległościami.
Topologia odgrywa w tym kontekście kluczową rolę. Zapewnia zachowanie pewnych właściwości, podobnie jak filiżanka kawy i pączek są topologicznie równoważne ze względu na ich pojedynczy, niezmienny otwór.
„Nasze splątane fotony są podobne” – wyjaśnia profesor Forbes. „Ich splątanie jest elastyczne, ale niektóre właściwości pozostają niezmienne”.
W badaniu w szczególności skupiono się na topologii Skyrmiona, koncepcji wprowadzonej przez Tony’ego Skyrmiona w latach 80. W tym scenariuszu topologia odnosi się do ogólnej właściwości, która pozostaje niezmieniona, takiej jak tekstura tkaniny, niezależnie od sposobu jej obróbki.
Zastosowania splątania kwantowego
Skyrmiony, które początkowo badano w materiałach magnetycznych, ciekłych kryształach i ich optycznych odpowiednikach, zostały docenione w fizyce materii skondensowanej ze względu na ich stabilność i potencjał w technologii przechowywania danych.
„Chcemy osiągnąć podobne efekty transformacyjne za pomocą naszych skyrmionów splątanych kwantowo” – dodaje Forbes. W przeciwieństwie do poprzednich badań, które ograniczały lokalizację Skyrmionów do jednego punktu, to badanie przedstawia zmianę paradygmatu.
Jak mówi Ornelas: „Teraz rozumiemy, że topologia, tradycyjnie postrzegana jako lokalna, w rzeczywistości może być nielokalna, współdzielona przez jednostki oddzielone przestrzennie”.
W związku z tym zespół proponuje wykorzystanie topologii jako systemu klasyfikacji stanów splątanych. Współbadacz dr Ishaq Naib porównuje to do alfabetu splątanych stanów.
„Tak jak rozróżniamy pola i pączki na podstawie ich dziur, tak nasze kwantowe skyrmiony można klasyfikować na podstawie ich cech topologicznych” – wyjaśnia.
Kluczowe idee i przyszłe badania
Odkrycie to otwiera drzwi do nowych protokołów komunikacji kwantowej, które wykorzystują topologię jako sposób przetwarzania informacji kwantowej.
Takie protokoły mogą zrewolucjonizować sposób kodowania i przesyłania informacji w systemach kwantowych, szczególnie w scenariuszach, w których tradycyjne metody szyfrowania zawodzą ze względu na minimalne splątanie.
Najważniejsze jest to, że znaczenie tych badań polega na możliwości zastosowania ich w terenie. Przez dziesięciolecia głównym wyzwaniem było utrzymanie wzajemnie połączonych państw.
Odkrycia zespołu sugerują, że topologia może pozostać nienaruszona nawet po zaniku splątania, zapewniając nowy mechanizm szyfrowania dla systemów kwantowych.
Profesor Forbes podsumowuje stwierdzeniem wybiegającym w przyszłość, mówiąc: „Jesteśmy teraz gotowi do zdefiniowania nowych protokołów i zbadania szerokiego krajobrazu nielokalnych stanów kwantowych, co może zrewolucjonizować nasze podejście do komunikacji kwantowej i przetwarzania informacji”.
Więcej o splątaniu kwantowym
Jak omówiono powyżej, splątanie kwantowe jest fascynującym i złożonym zjawiskiem w świecie fizyki kwantowej.
Jest to proces fizyczny, w którym pary lub grupy cząstek tworzą, oddziałują lub dzielą bliskość przestrzenną w taki sposób, że stanu kwantowego każdej cząstki nie można opisać niezależnie od stanu innych cząstek, nawet jeśli cząstki są oddzielone od siebie duża odległość. .
Odkrycie i kontekst historyczny
Splątanie kwantowe zostało po raz pierwszy sformułowane w 1935 roku przez Alberta Einsteina, Borisa Podolskiego i Nathana Rosena. Zaproponowali paradoks Einsteina-Podolskiego-Rosena (EPR), kwestionujący kompletność mechaniki kwantowej.
Einstein słynnie nazwał splątanie „upiornym działaniem na odległość”, wyrażając dyskomfort na myśl, że cząstki mogą natychmiast oddziaływać na siebie na duże odległości.
Zasady splątania kwantowego
W sercu splątania kwantowego leży koncepcja superpozycji. W mechanice kwantowej cząstki takie jak elektrony i fotony istnieją w stanie superpozycji, co oznacza, że mogą znajdować się w wielu stanach jednocześnie.
Kiedy dwie cząstki są splątane, są ze sobą powiązane w taki sposób, że stan jednej (niezależnie od tego, czy jest to spin, położenie, pęd czy polaryzacja) jest natychmiast powiązany ze stanem drugiej, niezależnie od tego, jak daleko się od siebie znajdują.
Splątanie kwantowe w informatyce i komunikacji
Splątanie kwantowe podważa klasyczne koncepcje praw fizycznych. Wskazuje, że informacja może być przesyłana szybciej niż prędkość światła, co jest sprzeczne z teorią względności Einsteina.
Nie oznacza to jednak, że użyteczne informacje są przekazywane natychmiast, co naruszałoby związek przyczynowy; Oznacza raczej głęboko zakorzenione wzajemne powiązania na poziomie kwantowym.
Jedno z najbardziej ekscytujących zastosowań splątania kwantowego dotyczy obliczeń kwantowych. Komputery kwantowe wykorzystują stany splątane do wykonywania skomplikowanych obliczeń z szybkościami, których nie mogą osiągnąć klasyczne komputery.
W komunikacji kwantowej splątanie jest kluczem do opracowania wysoce bezpiecznych systemów komunikacyjnych, takich jak kryptografia kwantowa i dystrybucja kluczy kwantowych, które teoretycznie są odporne na włamania.
Walidacja empiryczna i aktualne badania
Od chwili powstania teoretycznego splątanie kwantowe zostało kilkakrotnie udowodnione eksperymentalnie, co podkreśla jego dziwny i sprzeczny z intuicją charakter.
Najbardziej znane są eksperymenty z testem Bella, które dostarczyły ważnych dowodów przeciwko lokalnym teoriom zmiennych ukrytych i na korzyść mechaniki kwantowej.
Krótko mówiąc, splątanie kwantowe, kamień węgielny mechaniki kwantowej, pozostaje przedmiotem intensywnych badań i debat. Jego zagadkowa natura rzuca wyzwanie naszemu rozumieniu świata fizycznego i otwiera drogę dla potencjalnie rewolucyjnego rozwoju technologii.
W miarę postępu badań być może znajdziemy bardziej praktyczne zastosowania tego dziwnego zjawiska, odkrywając kolejne tajemnice wszechświata kwantowego.
Pełne badanie opublikowano w czasopiśmie Fotonika przyrody.
—–
Podoba Ci się to, co przeczytałem? Zapisz się do naszego newslettera, aby otrzymywać ciekawe artykuły, ekskluzywne treści i najnowsze aktualizacje.
Odwiedź nas w EarthSnap, bezpłatnej aplikacji udostępnionej przez Erica Rallsa i Earth.com.
—–
