La квантова суперпозиция Това е концепция, която се чува все повече и повече. Това свойство на природата се използва в семената на квантовите компютри, квантовата телепортация и квантовия интернет. Въпреки това има много хора, които не са запознати добре с квантовата суперпозиция и това им звучи китайски.
В тази статия ще ви кажем какво е квантовата суперпозиция, нейните характеристики и значение.
Какво е квантова суперпозиция
Квантовата суперпозиция е основен принцип на квантовата механика, който то изразява едновременното съществуване на физическа система, като електрон, във всичките й възможни теоретични състояния. Когато се наблюдава, той може да се "свие" само в една от тези конфигурации. Това „замразяване“ е произволно, но се основава на законите на вероятността.
Един от начините да разберем квантовата суперпозиция, поне по опростен начин, е да мислим, че една частица може да бъде в две възбудени състояния едновременно, но веднъж наблюдавана, тя разкрива само едно от тях. По този начин суперпозицията се използва широко в квантовите изчисления. "Кюбит" или кубит може да приема както стойностите 0, така и 1; за разлика от бита, битът трябва да бъде 0 или 1.
Това състояние на квантова суперпозиция е резултат от теоретично предложение на френския херцог Луи дьо Бройл, който предложи през 1924 г., че електроните не са частици, а вълни. Тоест електроните не са "топки" от материя с класически взаимодействия (като сблъсъци между билярдни топки), а вълни, които пътуват през пространството. Това е истинско.
Квантова суперпозиция на електрони
Ако си представим електроните като „топки“, сумата от едното плюс другото ни дава погрешна представа за това как се държи материята, защото си ги представяме подредени като топки. Някои са отгоре, други са отдолу, а други са отстрани. Материята обаче не работи по този начин на квантово ниво, а само на макроскопично ниво. Това е нашето.
Феноменът на квантовата суперпозиция е по-лесен за разбиране, тъй като възгледът, че материята се държи като вълни. За разлика от материята, вълните могат да се припокриват. На квантово ниво материята се държи като вълни и се случва нещо интересно: материята може да се „добавя“ една към друга.
В природата може да се наблюдава интересна аналогия. Следното изображение показва вълничките, оставени от водните капчици по повърхността на водата. Това е кръгова вълна, която се разпространява по повърхността. Всеки, който някога е хвърлял камък в езеро, ще разбере това. По принцип всяка вълна е независима.
Въпреки това, вълнова суперпозиция възниква, когато две вълни съвпадат. Тоест, добавете или извадете техните величини. Когато двата хребета се срещнат, водата се издига много високо. Там, където има две долини, виждаме падини. Ако върховете съвпадат с долините, сумата от вълните ще доведе до анулиране.
Вълни и квантова суперпозиция
Ако електроните са вълни, движещи се в пространството, техните вълни могат да правят неща, подобни на това, което се появява във водата. Феноменът е много по-сложен, но ето начин да го опростите. Но въпросът, който тревожи мнозина, е: къде са електроните?
Според законите на квантовата механика, квантовата суперпозиция може да възникне, докато частиците не бъдат наблюдавани. Тогава вълновата функция (тази, която описва вероятността една частица да има едно или друго състояние, което е начинът, по който представяме системи от частици) се срива или се определя като по-специфична вълнова функция.
Въпреки че не е напълно правилна, може да се използва следната аналогия. Балон с хелий плува в тъмна стая. първо, невъзможно е да се знае точно къде е балонът, защото има много сложни въздушни потоци, които движат балона от едната страна на другата. Възможно е да се определи вероятността балонът да се намира на едно или друго място. Това е неговата вълнова функция.
Откъде знаеш къде е сега? Как да накарам вълновата функция да "колабира"? Експеримент, който може да се направи, е да се хвърлят дартс. Ако стрелата отиде там, където не е балонът, не чуваме никакъв звук. Ако обаче стрелата премине през балона, чуваме експлозия. Изводът е: балонът ще определи позицията си независимо от това дали стреличката го удари или не. Тоест ще "колабира" във физически смисъл и ще разкрие къде се намира.
Въпреки че не е перфектна аналогия, примерът с балона помага да се разбере как електроните могат да бъдат разпределени в определена област от пространството по едно и също време и как само когато го погледнете, можете да разберете какво представлява.
Полезност днес
Ако това свойство е толкова интересно, то е защото може да се използва за изграждане на квантови компютри. През 2016 г. екип от изследователи се възползва от квантовите свойства на материята, включително състояния на суперпозиция, за да даде възможност за предаване на информация на дълги разстояния.
В 2017, друг екип успешно телепортира квантово състояние между два свързани възела. През 2022 г. група изследователи успяха да телепортират квантово състояние между два несвързани възела благодарение на факта, че възлите на Алис, Боб и Чарли бяха свързани един по един. Чрез тези експерименти е възможно да се изгради по-надежден интернет.
В момента учените проучват начини да се възползват от това свойство за решаване на проблеми, които биха били много трудни или дори невъзможни за справяне с класически компютри. В квантовия компютър класическите битове (0 или 1) се заменят с кубити, които те могат да се припокриват, което означава, че могат да представляват 0 и 1 едновременно. Това позволява на квантовия компютър да изследва множество решения едновременно, което води до огромен потенциал за решаване на сложни проблеми в области като криптография, симулация на материали и оптимизация.
Друго интригуващо приложение е защитената квантова комуникация. Благодарение на свойството на квантовата суперпозиция, всеки опит за намеса в предаваната информация се открива незабавно, което може да доведе до практически непроницаеми комуникационни системи и да гарантира поверителността на информацията.
Надявам се, че с тази информация можете да научите повече за квантовата суперпозиция, нейните характеристики и полезност.