Что такое квант: Что такое Квант? – Continuum

Что такое Квант? – Continuum

Если Вы вдруг поняли, что подзабыли основы и постулаты квантовой механики  или вообще не знаете, что это за механика такая, то самое время освежить в памяти эту информацию. Ведь никто не знает, когда квантовая механика может пригодиться в жизни.

Зря вы усмехаетесь и ехидствуете, думая, что уж с этим предметом вам в жизни вообще никогда не придется сталкиваться. Ведь квантовая механика может быть полезной практически каждому человеку, даже бесконечно далекому от нее. Например, у Вас бессонница. Для квантовой механики это не проблема! Почитайте перед сном учебник – и Вы спите крепчайшим сном странице уже эдак на третьей. Или можете назвать так свою крутую рок группу. Почему бы и нет?

Шутки в сторону, начинаем серьезный квантовый разговор.

 С чего начать? Конечно, с того, что такое квант.

Квант (от латинского quantum – ”сколько”) – это неделимая порция какой-то физической величины. Например, говорят – квант света, квант энергии или квант поля.

Что это значит? Это значит, что меньше быть уже просто не может. Когда говорят о том, что какая-то  величина квантуется, понимают, что данная величина принимает ряд определенных, дискретных значений.  Так, энергия электрона в атоме квантуется, свет распространяется «порциями», то есть квантами.

Сам термин «квант» имеет множество применений.  Квантом света (электромагнитного поля) является фотон. По аналогии квантами называются частицы или квазичастицы, соответствующие иным полям взаимодействия. Здесь можно вспомнить про знаменитый бозон Хиггса, который является квантом поля Хиггса. Но в эти дебри мы пока не лезем.

Как механика может быть квантовой?

Как Вы уже заметили, в нашем разговоре мы много раз упоминали  о частицах. Возможно, Вы и привыкли к тому, что свет – это волна, которая просто распространяется со скоростью С. Но если посмотреть на все с точки зрения квантового мира, то есть мира частиц, все изменяется до неузнаваемости.

Квантовая механика – это  раздел теоретической физики, составляющая квантовой теории, описывающая физические явления на самом элементарном уровне – уровне частиц.

Действие таких явлений по величине сравнимо с постоянной Планка, а классическая механика Ньютона и электродинамика оказались совершенно непригодными для их описания. Например, согласно классической теории электрон, вращаясь с большой скоростью вокруг ядра, должен излучать энергию и в конце концов упасть на ядро. Этого, как известно, не происходит. Именно поэтому и придумали квантовую механику – открытые явления нужно было как-то объяснить, и она оказалась именно той теорией, в рамках которой объяснение было наиболее приемлемым, а все экспериментальные данные “сходились”.

Немного истории

Зарождение квантовой теории произошло в 1900 году, когда Макс Планк выступил на заседании немецкого физического общества. Что тогда сообщил Планк? А то, что излучение атомов дискретно, а порция энергии этого излучения равна = ɦѴ, где  ɦ – постоянная Планка,  Ѵ – частота.

Затем Альберт Эйнштейн, введя понятие “квант света” использовал гипотезу Планка для объяснения фотоэффекта. Нильс Бор постулировал существование у атома стационарных энергетических уровней, а Луи де Бройль  развил идею о корпускулярно-волновом дуализме, то есть о том, что частица (корпускула) обладает также и волновыми свойствами.

К делу присоединились Шредингер и Гейзенберг,  и вот, в 1925 году публикуется первая формулировка квантовой механики. Собственно, квантовая механика – далеко не законченная теория, она активно развивается и в настоящее время. Также следует признать, что квантовая механика с ее допущениями не имеет возможности объяснить все стоящие перед ней вопросы. Вполне возможно, что на смену ей придет более совершенная теория.

При переходе от мира квантового к миру привычных нам вещей законы квантовой механики естественным образом трансформируются в законы механики классической. Можно сказать, что классическая механика – это частный случай квантовой механики, когда действие имеет место быть в нашем с Вами привычном и родном макромире. Здесь тела спокойно движутся в неинерциальных системах отсчета со скоростью, гораздо меньшей скорости света, и вообще – все вокруг спокойно и понятно. Хочешь узнать положение  тела в системе координат – нет проблем, хочешь измерить импульс – всегда пожалуйста.

Совершенно иной подход к вопросу имеет квантовая механика. В ней результаты измерений физических величин носят вероятностный характер. Это значит, что при изменении какой-то величины возможно несколько результатов, каждому из которых соответствует определенная вероятность. 

Приведем пример: монетка крутится на столе. Пока она крутится, она не находится в каком-то определенном состоянии (орел-решка), а имеет лишь вероятность в одном из этих состояний оказаться.

Здесь мы плавно подходим к уравнению Шредингера и принципу неопределенности Гейзенберга.

Уравнение Шредингера

Согласно легенде Эрвин Шредингер, в 1926 году выступая на одном научном семинаре с докладом на тему корпускулярно-волнового дуализма, был подвергнут критике со стороны  некоего старшего ученого. Отказавшись слушать старших, Шредингер после этого случая активно занялся разработкой волнового уравнения для описания частиц в рамках квантовой механики. И справился блестяще!  Уравнение Шредингера (основное уравнение квантовой механики) имеет вид:

Данный вид уравнения – одномерное стационарное уравнение Шредингера – самый простой. Здесь  x – расстояние или координата частицы,   m – масса частицы, E  и U  – соответственно ее полная и потенциальная энергии. Решение этого уравнения – волновая функция (Ψ).

Волновая функция – еще одно фундаментальное понятие в квантовой механике. Так, у любой квантовой системы, находящейся в каком-то состоянии, есть волновая функция, описывающая данное состояние.

Например, при решении одномерного стационарного уравнения Шредингера волновая функция описывает положение частицы в пространстве. Точнее говоря, вероятность нахождения частицы в определенной точке пространства. Иными словами, Шредингер показал, что вероятность может быть описана волновым уравнением! Согласитесь, до этого нужно было додуматься!

 Принцип неопределенности Гейзенберга

 

Но почему? Почему мы должны иметь дело с этими непонятными вероятностями и волновыми функциями, когда, казалось бы, нет ничего проще, чем просто взять и измерить расстояние до частицы или ее скорость.

Все очень просто! Ведь в макромире это действительно так – мы с определенной точностью измеряем расстояние рулеткой, а погрешность измерения определяется характеристикой прибора. С другой стороны, мы можем практически безошибочно на глаз определить расстояние до предмета, например, до стола. Во всяком случае, мы точно дифференцируем  его положение в комнате относительно нас и других предметов. В мире же частиц ситуация принципиально иная – у нас просто физически нет инструментов измерения, чтобы с  точностью измерить искомые величины. Ведь инструмент измерения вступает в непосредственный контакт с измеряемым объектом, а в нашем случае и объект, и инструмент – это частицы. Именно это несовершенство, принципиальная невозможность учесть все факторы, действующие на частицу, а также сам факт изменения состояния системы под действием измерения и лежат в основе принципа неопределенности Гейзенберга.

Приведем самую простую его формулировку. Представим, что есть некоторая частица, и мы хотим узнать ее скорость и координату.

В данном контексте принцип неопределенности Гейзенберга гласит: невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частицы. Математически это записывается так:

Здесь  Δx –  погрешность определения координаты,  дельта Δϑ – погрешность определения скорости. Подчеркнем – данный принцип говорит о том, что чем точнее мы определим координату, тем менее точно будем знать скорость. А если определим скорость, не будем иметь ни малейшего понятия о том, где находится частица.

На тему принципа неопределенности существует множество шуток и анекдотов. Вот один из них:

Полицейский останавливает квантового физика.
– Сэр, Вы знаете, с какой скоростью двигались?
– Нет, зато я точно знаю, где я нахожусь

Надеемся, что эта статья помогла Вам немного размять мозги, вспомнить хорошо забытое старое, а может быть и узнать что-то новое.  

Александр А. Акилов 

что такое квант и почему его так любят экстрасенсы — T&P

В зависимости от точки зрения квантовая теория — это либо свидетельство обширных успехов науки, либо символ ограниченности человеческой интуиции, которая вынуждена бороться со странностью субатомной сферы.

Для физика квантовая механика — одна из трех великих опор, на которых основано понимание природы (наряду с общей и специальной теориями относительности Эйнштейна). Для тех, кто всегда хотел хоть что-нибудь понять в фундаментальной модели устройства мира, объясняют ученые Брайан Кокс и Джефф Форшоу в своей книге «Квантовая вселенная», которая вышла в издательстве МИФ. T&P публикуют небольшой отрывок о сути кванта и истоках теории.

«Квантовая вселенная»

Теории Эйнштейна имеют дело с природой пространства и времени и силой притяжения. Квантовая механика занимается всем остальным, и можно сказать, что, как бы она ни взывала к чувствам, сбивала столку или завораживала, это всего лишь физическая теория, описывающая то, как природа ведет себя в действительности. Но даже если мерить ее по этому весьма прагматичному критерию, она поражает своей точностью и объяснительной силой. Есть один эксперимент из области квантовой электродинамики, старейшей и лучше всего осмысленной из современных квантовых теорий. В нем измеряется, как электрон ведет себя вблизи магнита. Физики-теоретики много лет упорно работали с ручкой и бумагой, а позже с компьютерами, чтобы предсказать, что именно покажут такие исследования. Практики придумывали и ставили эксперименты, чтобы выведать побольше подробностей у природы. Оба лагеря независимо друг от друга выдавали результаты с точностью, подобной измерению расстояния между Манчестером и Нью-Йорком с погрешностью в несколько сантиметров. Примечательно, что цифры, получавшиеся у экспериментаторов, полностью соответствовали результатам вычислений теоретиков; измерения и вычисления полностью согласовывались.

Квантовая теория — возможно, наилучший пример, как бесконечно сложное для понимания большинства людей становится крайне полезным. Она сложна для понимания, поскольку описывает мир, в котором частица может реально находиться в нескольких местах одновременно и перемещается из одного места в другое, исследуя тем самым всю Вселенную. Она полезна, потому что понимание поведения малейших кирпичиков мироздания укрепляет понимание всего остального. Она кладет предел нашему высокомерию, потому что мир намного сложнее и разнообразнее, чем казалось. Несмотря на всю эту сложность, мы обнаружили, что все состоит из множества мельчайших частиц, которые двигаются в соответствии с законами квантовой теории. Законы эти настолько просты, что их можно записать на обратной стороне конверта. А то, что для объяснения глубинной природы вещей не требуется целая библиотека, уже само по себе одна из величайших тайн мира.

Представьте мир вокруг нас. Скажем, вы держите в руках книгу, сделанную из бумаги — перемолотой древесной массы. Деревья — это машины, способные получать атомы и молекулы, расщеплять их и реорганизовывать в колонии, состоящие из миллиардов отдельных частей. Они делают это благодаря молекуле, известной под названием хлорофилл и состоящей из ста с лишним атомов углерода, водорода и кислорода, которые имеют изогнутую особым образом форму и скреплены еще с некоторым количеством атомов магния и водорода. Такое соединение частиц способно улавливать свет, пролетевший 150 000 000 км от нашей звезды — ядерного очага объемом в миллион таких планет, как Земля, — и переправлять эту энергию вглубь клеток, где с ее помощью создаются новые молекулы из двуокиси углерода и воды и выделяется дающий нам жизнь кислород.

Именно эти молекулярные цепи формируют суперструктуру, объединяющую и деревья, и бумагу в этой книге, и все живое. Вы способны читать книгу и понимать слова, потому что у вас есть глаза и они могут превращать рассеянный свет от страниц в электрические импульсы, интерпретируемые мозгом — самой сложной структурой Вселенной, о которой мы вообще знаем. Мы обнаружили, что все вещи в мире — не более чем скопища атомов, а широчайшее многообразие атомов состоит всего из трех частиц — электронов, протонов и нейтронов. Мы знаем также, что сами протоны и нейтроны состоят из более мелких сущностей, именуемых кварками, и на них уже все заканчивается — по крайней мере, так мы думаем сейчас. Основанием для всего этого служит квантовая теория.

© iStock

Таким образом, картину Вселенной, в которой обитаем мы, современная физика рисует с исключительной простотой; элегантные явления происходят где-то там, где их нельзя увидеть, порождая разнообразие макромира. Возможно, это самое выдающееся достижение современной науки — сведение невероятной сложности мира, включая и самих людей, к описанию поведения горстки мельчайших субатомных частиц и четырех сил, действующих между ними. Лучшие описания трех из четырех этих сил — сильного и слабого ядерных взаимодействий, существующих внутри атомного ядра, и электромагнитного взаимодействия, которое склеивает атомы и молекулы, — предоставляет квантовая теория. Лишь сила тяжести — самая слабая, но, возможно, самая знакомая нам сила из всех — в настоящий момент не имеет удовлетворительного квантового описания.

Стоит признать, что квантовая теория имеет несколько странную репутацию, и ее именем прикрывается множество настоящей ахинеи. Коты могут быть одновременно живыми и мертвыми; частицы находятся в двух местах одновременно; Гейзенберг утверждает, что все неопределенно. Все это действительно верно, но выводы, которые часто из этого следуют — раз в микромире происходит нечто странное, то мы окутаны дымкой тумана, — точно неверны. Экстрасенсорное восприятие, мистические исцеления, вибрирующие браслеты, которые защищают от радиации, и черт знает что еще регулярно прокрадывается в пантеон возможного под личиной слова «квант». Эту чепуху порождают неумение ясно мыслить, самообман, подлинное или притворное недопонимание либо какая-то особенно неудачная комбинация всего вышеперечисленного. Квантовая теория точно описывает мир с помощью математических законов, на столько же конкретных, как и те, что использовали Ньютон или Галилей. Вот почему мы можем с невероятной точностью рассчитать магнитное поле электрона. Квантовая теория предлагает такое описание природы, которое, как мы узнаем, имеет огромную предсказательную и объяснительную силу и распространяется на множество явлений — от кремниевых микросхем до звезд.

Как часто бывает, появление квантовой теории спровоцировали открытия природных явлений, которые нельзя было описать научными парадигмами того времени. Для квантовой теории таких открытий было много, притом разнообразного характера. Ряд необъяснимых результатов порождал ажиотаж и смятение и в итоге вызвал период экспериментальных и теоретических инноваций, который действительно заслуживает расхожего определения «золотой век». Имена главных героев навсегда укоренились в сознании любого студента-физика и чаще других упоминаются в университетских курсах и посей день: Резерфорд, Бор, Планк, Эйнштейн, Паули, Гейзенберг, Шредингер, Дирак. Возможно, в истории больше не случится периода, когда столько имен будут ассоциироваться с величием науки при движении к единой цели — созданию новой теории атомов и сил, управляющих физическим миром. В 1924 году, оглядываясь на предшествующие десятилетия квантовой теории, Эрнест Резерфорд, физик новозеландского происхождения, открывший атомное ядро, писал: «1896 год… ознаменовал начало того, что было довольно точно названо героическим веком физической науки. Никогда до этого в истории физики не наблюдалось такого периода лихорадочной активности, в течение которого одни фундаментально значимые открытия с бешеной скоростью сменяли другие».

Только до 30 июня для читателей T&P действует скидка на бумажную и электронную версии книги. Скидки активируются при переходе по ссылкам.

Термин «квант» появился в физике в 1900 году благодаря работам Макса Планка. Он пытался теоретически описать излучение, испускаемое нагретыми телами, — так называемое «излучение абсолютно черного тела». Кстати, ученого наняла для этой цели компания, занимавшаяся электрическим освещением: так двери Вселенной порой открываются по самым прозаическим причинам. Планк выяснил, что свойства излучения абсолютно черного тела можно объяснить, только если предположить, что свет испускается небольшими порциями энергии, которые он и назвал квантами. Само это слово означает «пакеты», или «дискретные». Изначально он считал, что это лишь математическая уловка, но вышедшая в 1905 году работа Альберта Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте поддержала квантовую гипотезу. Результаты были убедительными, потому что небольшие порции энергии могли быть синонимичны частицам.

Идея того, что свет состоит из потока маленьких пулек, имеет долгую и славную историю, начавшуюся с Исаака Ньютона и рождения современной физики. Однако в 1864 году шотландский физик Джеймс Кларк Максвелл, казалось, окончательно рассеял все существовавшие сомнения в ряде работ, которые Альберт Эйнштейн позднее охарактеризовал как «самые глубокие и плодотворные из всех, что знала физика со времен Ньютона». Максвелл показал, что свет — это электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве, так что идея света как волны имела безукоризненное и, казалось бы, неоспоримое происхождение. Однако в серии экспериментов, которые Артур Комптон и его коллеги провели в Университете Вашингтона в Сент-Луисе, им удалось отделить световые кванты от электронов. Те и другие вели себя скорее как бильярдные шары, что явно подтвердило: теоретические предположения Планка имели прочное основание в реальном мире. В 1926 году световые кванты получили название фотонов. Свидетельство было неопровержимым: свет ведет себя одновременно как волна и как частица. Это означало конец классической физики — и завершение периода становления квантовой теории.

Что такое квант? Первая и вторая квантовые революции 10 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

1. Что такое квант?

Коротко: энергия и излучение передаются не непрерывно, а конечными порциями, квантами.

Длинно: 

Слово «квант» (quantum) можно перевести с английского как «количество, порция, квант», само это название указывает на то, что одной из основ квантовой механики является принцип «квантования», согласно которому энергия излучения поглощается и передаётся порциями, квантами. Это верно для очень многих объектов микромира, в первую очередь для атомов и электронов.

Пример:

С «квантовыми» преобразованиями мы постоянно сталкиваемся в быту, когда, например, имеем дело с цифровой техникой. Так, звук имеет волновую природу, и в аналоговой аппаратуре он записывался «как есть», то есть колебания мембраны микрофона превращались в дорожки на грампластинке. На цифровой записи звук «квантуется»: техника с определённой частотой (её называют частотой дискретизации) измеряет силу звука и получает набор 32 «квантовых» значений.

2. Квантовые процессы в атоме

Привычная нам со школы планетарная модель атома Резерфорда, в которой электроны-планеты вращаются вокруг ядра-солнца, на самом деле не может существовать в реальности. Согласно законам классической физики электроны, двигаясь по кольцевым орбитам и испытывая ускорение, должны излучать и терять энергию. Следовательно, через очень короткое время электроны должны были упасть на ядро, атом прекратил бы существовать.

Квантовые постулаты Бора гласили, что у электрона в атоме есть определённый набор дискретных энергетических состояний (уровней или орбит), причём электроны излучают (то есть испускают) фотон определённой энергии только в момент перехода на более низкий уровень. Пока электрон находится на определённом энергетическом уровне, он не излучает — делать это он может только при переходе на другой уровень.

Теория атома Бора позволила, например, объяснить существование линейчатых спектров. Линии в спектрах указывали, что атомы почему-то предпочитали поглощать или излучать только на каких-то излюбленных частотах. Объяснить это классическими методами не удавалось. Только новые представления об атоме позволили понять, что линии в спектрах соответствуют определённым энергетическим уровням.

Квантовая природа энергетических переходов в атомах позволила нам создать первые квантовые устройства — лазеры, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения. Если коротко, этот эффект состоит в том, что, облучая некоторые вещества излучением определённой длины волны, можно добиться инверсной заселённости энергетических уровней в атомах, то есть большая часть электронов окажется на верхних этажах. Затем они начинают излучать, но излучать не «обычный» свет, а когерентный и монохроматический, то есть строго упорядоченный по фазе и одной определённой длины волны.

Кроме того, на использовании энергетических переходов основаны квантовые стандарты частоты и атомные часы, которые измеряют время благодаря очень точной периодичности энергетических переходов в атомах.

Энергетические переходы в атоме: поглощение фотона приводит к переходу электрона на более высокий энергетический уровень (например: с Е1 на Е2, как на схеме), а испускание — на нижележащий уровень (с Е3 на Е2).

Энергетические переходы в атоме зависят от длины волны поглощённого или испущенного излучения, по традиции их называют по именам учёных, открывших соответствующие этим переходам серии линий в спектре: серия Лаймана, серия Бальмера и так далее.

Квантовая природа энергетических переходов в атомах позволила нам создать первые квантовые устройства — лазеры, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения. Если коротко, этот эффект состоит в том, что, облучая некоторые вещества излучением определённой длины волны, можно добиться инверсной заселённости энергетических уровней в атомах, то есть большая часть электронов окажется на верхних этажах. Затем они начинают излучать, но излучать не «обычный» свет, а когерентный и монохроматический, то есть строго упорядоченный по фазе и одной определённой длины волны.

Кроме того, на использовании энергетических переходов основаны квантовые стандарты частоты и атомные часы, которые измеряют время благодаря очень точной периодичности энергетических переходов в атомах.

 3. История: как учёные узнали о квантовом мире

Загадка фотоэффекта

Представление о фотоне — элементарной частице — переносчике электромагнитного взаимодействия, возникло в начале XX века благодаря появлению ряда парадоксов, которые не могла разрешить классическая физика. В их числе — фотоэффект: испускания электронов с поверхности металла при облучении светом.

Оказалось, что при изменении цвета излучения с зелёного на красный, электроны с поверхности металла вылетать переставали. Причём мощность красного света, падающего на пластинку, значения не имела.

Объяснил этот факт Альберт Эйнштейн. Он предположил, что свет излучается порциями, квантами, энергия которых определяется частотой (то есть цветом) излучения. Увеличивая интенсивность красного света, мы не даём каждому фотону дополнительную энергию, мы просто увеличиваем количество частиц света, падающих на поверхность, и если одиночный фотон не в силах выбить электрон, то это не смогут и все остальные. Зелёный свет имеет меньшую длину волны, а значит, его фотоны имеют большую энергию. И энергии каждого «зелёного» фотона оказывается достаточно, чтобы выбить электрон.

 Ультрафиолетовая катастрофа

Ещё одна проблема — так называемая ультрафиолетовая катастрофа. Классическая физика, точнее формула Релея — Джинса, предсказывала, что энергия излучения абсолютно чёрного тела — объекта, который поглощает всё излучение и переизлучает его равномерно на всех длинах волн, должна быть бесконечной. По мере роста частоты энергия увеличивалась, а в ультрафиолетовой области стремилась к бесконечности. 

 

Схема устройства модели абсолютно чёрного тела

Ситуацию спас Макс Планк, который показал, что катастрофы не будет, если допустить, что атомы могут поглощать и излучать свет только порциями и только на определённых частотах.

 

Зависимость излучательной способности чёрного тела (r) от частоты (омега). Классическая теория (формула Релея — Джинса) предсказывает бесконечный рост, квантовые теории (формулы Планка и Вина) дают реалистичные предсказания.

Корпускулярно-волновой дуализм

Чтобы совместить противоречащие друг другу свойства, которые проявлял свет в разных условиях, была сформулирована идея корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой концепции, у каждого объекта, обладающего энергией и импульсом, есть связанная с этими параметрами длина волны (волна де Бройля).

Частица начинает вести себя не как точечный объект, а как волна, когда её окружение и измерительный прибор становятся сравнимы по размерам с этой длиной. Чем выше масса, тем короче длина волны де Бройля, и тем сложнее заметить волновое поведение. Широко известно, что волновые свойства демонстрируют электроны, однако типичные для волны эффекты, например, способность формировать дифракционную картину (последовательность полос на экране, созданных взаимным усилением или, наоборот, ослаблением волн), показывают и значительно более массивные объекты. В экспериментах дифракционная картина наблюдалась, например, у фуллеренов, молекул, состоящих из 60 атомов углерода.

Однако в позднем и более строгом варианте квантовой механики понятие волны де Бройля заменено волновой функцией — уравнением Шрёдингера, которое описывает квантовые объекты.

4.Квантовые эффекты: принцип неопределённости

Коротко: в квантовом мире так: чем точнее мы пытаемся измерить один параметр объекта, тем менее точной оказывается другой параметр, и наоборот.

Длинно: квантовый мир сильно отличается от «классического», в том числе тем, что любые события и параметры процессов носят вероятностный характер. Мы не можем сказать, что тот или иной объект находится в определённой точке, мы можем сказать, что он находится в той или иной точке с определённой вероятностью. 

 

В рамках классической механики вы можете измерить координату и скорость частицы сколь угодно точно — эти параметры не связаны друг с другом, и сам факт измерения их никак не изменяет. Однако в микромире в действие вступает один из главных квантовых законов — принцип неопределённости Гейзенберга.  

Он гласит, что произведение погрешностей измерения этих двух величин — координаты (x) и скорости (v) — не может быть меньше постоянной Планка (h) (константы, связывающей длину волны и энергию фотонов), разделённой на массу частицы (m).

Δx × Δv > h/m

Это означает, что если вы увеличиваете точность измерения координаты, вам придётся пожертвовать точностью измерения скорости, и наоборот. Вы можете попытаться измерить абсолютно точно координату, но при этом вы не будете знать ничего о скорости.

При этом принцип неопределённости относится не только к скорости и координатам — он работает для любых пар связанных параметров любой квантовой системы (например, энергия частицы и момент времени, когда она обладает этой энергией).

Природа этой неопределённости связана с процессом измерения. В «классическом» мире измерение почти никак не влияет на измеряемый параметр. В квантовом мире измерительный прибор влияет на системы, взаимодействует с ними, иначе говоря, на какое-то время образует с ними единую квантовую систему и тем самым вносит неистребимые помехи.

Поэтому состояние квантовых объектов описывается уравнением Шрёдингера, которое указывает лишь вероятность нахождения частицы в определённой точке. «Размытое», вероятностное поведение квантовых объектов ведёт к явлению «квантового туннелирования», способности квантовых объектов проникать сквозь стены, точнее, проходить сквозь квантовый барьер.

В классической физике: если объект, например пуля, не имеет достаточной энергии, чтобы пробить стену, она останется по эту сторону стены; если мяч, который вы бросили, не смог выкатиться из ямы, потому что вы недостаточно сильно его толкнули, он скатится обратно. В этом случае физики говорят, что объект не смог преодолеть потенциальный барьер.

Однако в квантовом мире у потенциального барьера волновая функция убывает экспоненциально, но всё же не мгновенно, и если барьер не будет слишком высок, то есть ненулевая вероятность, что частица окажется за барьером. 

На эффекте квантового туннелирования основаны многие технологии, в частности туннельные микроскопы, благодаря туннельному эффекту работают сверхпроводящие кубиты — элементы квантовых вычислительных устройств.

5. Квантовые эффекты: запутанность и телепортация

Что такое суперпозиция

Коротко: квантовые объекты в определённых условиях могут «чувствовать» друг друга, то есть в случае изменения состояния одного объекта меняется и состояние другого.

Длинно: ещё одна черта зыбкости квантового мира — способность квантовых объектов находиться в состоянии суперпозиции. Этот термин используется и в классической физике, где он означает способность волн складываться друг с другом, усиливая или ослабляя друг друга. В отличие от них квантовые объекты могут находиться одновременно в нескольких состояниях.

Точнее сказать, волновую функцию квантовой системы в суперпозиции можно описать как сумму вероятностей двух состояний, где состояние 1 имеет одну вероятность, а состояние 2 — другую. Если квантовую систему измерить, то мы будем наблюдать какое-то одно из состояний (как говорят физики, система коллапсирует в определённое состояние).

Геометрическое представление суперпозиции квантового объекта, который может иметь спин (магнитный момент) 1 или 0. Греческой буквой «пси» обозначена волновая функция, которая зависит от соотношения вероятностей обоих состояний.

Примеры квантовой суперпозиции

Один из примеров — фотон, который может находиться в суперпозиции двух состояний: горизонтальной и вертикальной поляризации.

Поляризация — одно из свойств электромагнитного излучения, которое грубо можно представить как ориентацию плоскости, в которой колеблется электромагнитная волна. В излучении от многих источников, например от Солнца, плоскость поляризации может быть ориентирована хаотически, но если его пропустить через поляризатор, фильтр, роль которого могут играть, например, некоторые кристаллы, то сквозь него пройдёт только излучение c определённой ориентацией поляризации, например вертикальной. 

У каждого состояния фотона есть определённая вероятность. Если мы измерим поляризацию, мы получим одно определённое значение, но для того, чтобы понять, какими были исходные вероятности, нам нужно будет измерить множество таких фотонов (если нам удастся их получить).

Суперпозиция может касаться «внутренних» состояний частицы, а может и пространственных положений, то есть, если сказать очень грубо, объект находится одновременно в двух точках, а если более корректно — волновая функция говорит, что вероятность для одной точки одна, для другой — другая.

Можно провести эксперимент с фотоном: послать его через полупрозрачное зеркало, на котором он с 50-процентной вероятностью отразится и с 50-процентной — пройдёт насквозь. В этом случае он будет «одновременно» и с одной стороны зеркала, и с другой. Если мы проведём измерения, он окажется где-то в одной точке, но мы можем построить оптическую систему так, что оба пути от зеркала сойдутся вновь, и в этом случае мы сможем увидеть дифракционную картину — след интерференции (смешивания) фотона с самим собой.

Квантовая запутанность

Частный случай суперпозиции — квантовая запутанность, способность квантовых объектов «чувствовать» друг друга на любом расстоянии, которую Эйнштейн называл «жутким дальнодействием». В классическом мире запутанность можно описать с помощью такой аналогии: представьте, что двух людей (назовем их по традиции квантовых физиков Алиса и Боб) попросили не глядя выбрать одну из двух разных монет. Алиса отправилась на Альфу Центавра, а Боб остался дома. Если Алиса посмотрит на свою монету, то сразу поймёт, как именно монета осталась у Боба на Земле.

В квантовом случае все выглядит почти так же: представим себе запутанную квантовую систему из двух фотонов. Она описывается одной волновой функцией, которая приписывает определённые вероятности, что один фотон окажется с вертикальной поляризацией, а другой — с горизонтальной. Но при этом это связанные параметры, их нельзя определить независимо (физики говорят в этом случае о несепарабельных системах).

В этом случае, если Алиса увезёт свой фотон на Альфу Центавра, измерит его поляризацию, получит, что это поляризация вниз, то в тот же момент поймёт, что у Боба фотон с поляризацией вверх. «Жуть» состоит в том, что фотон Боба не может никак знать, какое состояние «правильное», но тем не менее измерение даст именно эту поляризацию и никакую другую.

Поскольку до момента измерения оба эти фотона описывала одна волновая функция, то по сути и Алиса, и Боб имели дело с единой квантовой системой, части которой, будучи разделены гигантским расстоянием, всё равно оставались единой системой, демонстрируя «жуткое дальнодействие».

Поэтому, говоря об этих особенностях квантового мира, говорят о его нелокальности. «Передача» состояний происходит мгновенно, независимо от расстояния и, следовательно, со сверхсветовой скоростью. Однако использовать запутанные фотоны для сверхсветовой передачи данных не получится — например, потому, что предсказать, в каком состоянии окажется один из фотонов, нельзя.

Квантовая телепортация

Благодаря квантовой запутанности возможна квантовая телепортация — передача, «трансплантация» квантовых состояний с одного объекта на другой. Этот процесс не имеет ничего общего с телепортацией из фантастических фильмов.

В случае квантовой телепортации не происходит перемещения никакого физического объекта с места на место, происходит точное «воспроизведение» квантового состояния одного объекта на другом.

В теории можно представить себе телепортацию в макромире, когда мы переносим квантовые состояния каждого атома какого-то человека на какое-то специально подготовленное «пустое» тело. В этом случае на другом конце можно получить точную копию оригинала. Но если учесть количество атомов, на процесс понадобятся миллиарды, если не триллионы лет, и оригинал при этом должен быть уничтожен.

Процесс телепортации можно проиллюстрировать таким комиксом:

 

КВАНТ – Что такое КВАНТ?

Слово состоит из 5 букв: первая к, вторая в, третья а, четвёртая н, последняя т,

Слово квант английскими буквами(транслитом) – kvant

• Буква к встречается 1 раз. Слова с 1 буквой к
• Буква в встречается 1 раз. Слова с 1 буквой в
• Буква а встречается 1 раз. Слова с 1 буквой а
• Буква н встречается 1 раз. Слова с 1 буквой н
• Буква т встречается 1 раз. Слова с 1 буквой т

Квант

Квант (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения…

ru.wikipedia.org

КВАНТ (quantum) Букв.: количество. Обычно термин используется в квантовой физике для обозначения минимальной порции дискретной физической величины. (Например, квантовая теория электромагнитного излучения основана на представлении о том…

Критический словарь психоанализа

Квант – мельчайшая далее неделимая количественно выраженная порция ч.-либо. У Гегеля “простой качественно определенный квант” означает ту необходимую количественную прибавку к субстрату…

Кикель П. Краткий философский словарь

Квант (от лат. quantum — сколько) — нечто численно измеримое; определенная величина. Квант энергии — конечное количество энергии, которое излучается или поглощается какой-либо микросистемой (ядерной, атомной, молекулярной) в элементарном…

Начала современного естествознания. – 2006

КВАНТ (лат. quantum – сколько) нечто численно измеримое; определенная величина: количество, вес, масса.

Философская энциклопедия

Квант-1

КВАНТ-1 (English: Quantum-I/1) (37КЭ) второй модуль советской орбитальной космической станции «Мир». Первый модуль, пристыкованный к базовому блоку станции.

ru.wikipedia.org

Квант-2

Квант-2 (англ. Quantum-II/2) (77KSD, TsM-D, 11F77D) — это третий модуль и второй пристыкованный модуль к космической станции «Мир». Его основная цель состояла в том, чтобы провести новые научные эксперименты…

ru.wikipedia.org

Квант (клуб)

Клуб «Квант» — юмористический клуб физического факультета Новосибирского Государственного Университета, составная часть команды КВН НГУ.

ru.wikipedia.org

Квант энергии

КВАНТ ЭНЕРГИИ — конечное кол-во энергии, к-рое может быть отдано или поглощено к.-л. микросистемой в отд. акте изменения её состояния. Напр., стационарным состояниям атома соответствует определ.

Большой энциклопедический политехнический словарь

Квант энергии – конечное количество энергии, которое может излучить или поглотить атом, молекула, атомное ядро и другая микросистема в одном акте изменения ее состояния (при квантовом переходе).

glossary.ru

Квант (журнал)

«Квант» — научно-популярный физико-математический журнал для школьников и студентов, рассчитанный на массового читателя. В 1970—1992 годах журнал выпускался издательством «Наука», в 1993—2010 годах — издательством «Бюро Квантум»…

ru.wikipedia.org

“Квант”, ежемесячный физико-математический научно-популярный журнал АН СССР и АПН СССР. Издаётся с 1970 в Москве. Рассчитан на преподавателей средних школ и учащихся старших классов.

БСЭ. — 1969—1978

Квант действия

Планка постоянная (квант действия) — одна из фундаментальных мировых постоянных (констант), играющая определяющую роль в микромире, проявляющуюся в существовании дискретных свойств у микрообъектов и их систем…

Савченко В. Н., Смагин В.П. Начала современного естествознания. Тезаурус. – Ростов-на-Дону, 2006

КВАНТ ДЕЙСТВИЯ то же, что (см. ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ). Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. КВАНТ ДЕЙСТВИЯ – то же, что Планка постоянная. Физическая энциклопедия.

Физическая энциклопедия. – 1988

Квант действия, то же, что Планка постоянная.

БСЭ. — 1969—1978

КВАНТ МАГНИТНОГО ПОТОКА

КВАНТ МАГНИТНОГО ПОТОКА минимальное значение магнитного потока Ф0 через кольцо из сверхпроводника с током; одна из фундаментальных физических констант.

Физическая энциклопедия. – 1988

КВАНТ МАГНИТНОГО ПОТОКА — минимальное значение магнитного потока Ф0 через кольцо из сверхпроводника с током; одна из фундаментальных физических констант.

Физическая энциклопедия. – 1988

КВАНТ МАГНИТНОГО ПОТОКА — миним. значение магн. потока Фо через кольцо сверхпроводника с током, обусловленным движением сверхпроводящих электронов; одна из фундамент. физ. констант.

Словарь естествознания

Русский язык

Квант/.

Морфемно-орфографический словарь. — 2002

---

• Слова из слова “квант”
• Слова на букву “к”
• Слова, начинающиеся на “кв”
• Слова c буквой “т” на конце
• Слова c “нт” на конце
• Слова, начинающиеся на “ква”
• Слова, начинающиеся на “кван”
• Слова, оканчивающиеся на “ант”
• Слова, заканчивающиеся на “вант”

1. квантуется
2. квантуются
3. квантующий
4. квант
5. кварки
6. кварковый
7. кварк

Что такое квант, кварк, нуклон, атом, молекула? — Мегаобучалка

Квант (от нем. Quant—«квант», от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо элементарной частицы или величины вфизике (например, количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить или др. квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон). В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). ^[1]

В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения — и последнее называют квантом. Например, энергия монохроматического электромагнитного излученияугловой частоты ω может принимать значения (N+1/2)ℏω, где ℏ — редуцированная постоянная Планка, а N — целое число. В этом случае ℏω имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а N — смысл числа́ этих квантов (фотонов). Именно в этом смысле термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года — первой работе по квантовой теории, заложившей ее основу.

Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой (например, количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить или др. квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон).

Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля,квантовая оптика и т. д.). Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения — например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется». Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соотвествующих бозонным полям взаимодействия (фотон — квант электромагнитного поля, фонон — квант поля звуковых волн в кристалле, гравитон — гипотетический квант гравитационного поля и т. д.), также о таких частицах говорят как о «квантах возбуждения» или просто «возбуждениях» соответствующих полей.

Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной квантовой единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса).

Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии, но входящая в составадронов (сильновзаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 5·10⁻¹⁸ м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона.

В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году.

Нукло́ны (от лат. nucleus — ядро) — частицы, из которых построены атомные ядра. Нуклоны представлены протонами и нейтронами.

С точки зрения электромагнитного взаимодействия протон и нейтрон разные частицы, так как протон электрически заряжен, а нейтрон — нет. Однако с точки зрения сильного взаимодействия, которое является определяющим в масштабе атомных ядер, эти частицы неразличимы, поэтому и был введен термин «нуклон», а протон и нейтрон стали рассматриваться как два различных состояния нуклона, различающихся проекцией изотопического спина. Близость свойств изоспиновых состояний нуклона является одним из проявлений изотопической инвариантности.

Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.
Электрон — мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10^-19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К — оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц — протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны — стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента — водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон— нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А — Z, где А — массовое число данного изотопа (см. Периодическая система химических элементов). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны — гамма-излучение. Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Молекула (франц. molecule, от лат. moles — масса) — наименьшая способная к самостоятельному существованию частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
Учение о строении и свойствах молекул приобрело исключительный интерес для познания субмикроскопической структуры клеток и тканей, а также механизма биологических процессов на молекулярном уровне. Большие успехи в изучении структуры М. и, в частности, М. таких биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты, показали, что важнейшие функции этих веществ в организмах осуществляются на уровне отдельных молекул и поэтому должны исследоваться как молекулярные явления. Установлено, например, что такие функции белков, как ферментативная, структурная, сократительная, иммунная, транспортная (обратимое связывание и перенос жизненно необходимых веществ) разыгрываются на молекулярном уровне и непосредственно определяются структурой и свойствами М. этих веществ. Наследственность и изменчивость организмов связаны с особой структурой и свойствами М. нуклеиновых кислот, в которых зафиксирована вся генетическая информация, необходимая для синтеза белков организма. Небольшие отклонения в структуре или составе молекул ряда биологически важных веществ или изменения в молекулярном механизме некоторых обменных процессов являются причиной возникновения ряда заболеваний (например, серповидноклеточная анемия, наследственная галактоземия, сахарный диабет и др.), называемых молекулярными болезнями.
Молекула каждого вещества состоит из определенного числа атомов (см.) одного химического элемента (простое вещество) или различных элементов (сложное вещество), объединенных посредством химических (валентных) связей. Состав М. выражают химической формулой, в которой знаки элементов указывают вид атомов, образующих М., а числа, стоящие справа внизу, показывают, сколько атомов каждого элемента входит в состав М. Так, из химической формулы глюкозы СвН12Ое следует, что М. глюкозы состоит из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Молекулы инертных газов и паров некоторых металлов одноатомны. Это самые простые М. Наиболее сложными являются М. белков (см.), нуклеиновых кислот (см.) и других биополимеров, состоящие из многих тысяч атомов.

Что такое квант простыми словами?

Что такое квант простыми словами?

Квант в современной физике – это маленькая порция (часть) какой-либо величины. Некоторая незначительная часть энергии или момента количества движения, то есть вещи, которыми можно охарактеризовать физические свойства всего сущего.

В чем измеряется квант?

Физические термины Квант — неделимая порция какой-либо величины в физике. Квант электрического сопротивления — константа фон Клитцинга. Единица измерения, удобная в случаях, когда сопротивление системы определяется квантовыми эффектами.

Что такое квант Чему равна энергия кванта?

E = hν, где h = 4·10–15 эВ·с = 6·10–34 Дж·с — постоянная Планка, еще одна фундаментальная физическая величина, определяющая свойства нашего мира. … Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии.

Что такое квантовая механика простыми словами?

Квантовая физика, как вы, возможно, уже знаете, — это изучение поведения вещества и энергии на самых маленьких уровнях — молекулярном, атомном, ядерном и даже меньшем.

Что означает квантовая физика?

Ква́нтовая фи́зика — это раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Основные законы квантовой физики изучаются в рамках квантовой механики и квантовой теории поля и применяются в других разделах физики.

В чем заключается основная идея квантовой механики?

Основная идея квантовой механики состоит в том, что гамильтониан так же, как и другие величины классической механики, например, координаты или импульсы, надлежит рассматривать как т. н. операторы.

Что такое квантовая математика?

Математические основы квантовой механики — принятый в квантовой механике способ математического моделирования квантовомеханических явлений, позволяющий вычислять численные значения наблюдаемых в квантовой механике величин.

Чем отличается предмет исследования квантовой механики от классической?

Квантовая механика отличается от классической физики тем, что импульс, энергия и другие показатели, часто ограничиваются только дискретными значениями (квантование), предметы имеют свойства и волн, и частиц (корпускулярно-волновой дуализм), и существуют некие ограничения на установление точности, с которой эти величины …

Чем квантовая физика отличается от классической?

Квантовая физика – раздел физики, в котором постоянная Планка не может считаться величиной пренебрежимо малой. … Соответственно, классическая физика вытекает из квантовой (является приближением квантовой) при стремлении постоянной Планка к нулю.

Что значит слово квантовый?

Происходит от существительного квант, далее от лат. quantum, quantus «сколько; насколько большой». В значении «неделимая порция материи» слово было введено в обиход Максом Планком в 1900 г.

Что такое квантовая частица?

Они задают математические образы состояния квантовой частицы — нового типа объекта, обладающего корпускулярно-волновым поведением, но несводимым ни к частице, ни к волне, в виде волновой функции в гильбертовом пространстве.

Каковы основные положения квантовой физики?

К основным положениям квантовой физики относятся следующие: Энергия в любом виде может поглощаться или, наоборот, выделяться исключительно отдельными порциями. При этом, они могут состоять только из целого числа условных объектов (квантов).

В каком классе начинают изучать квантовую физику?

Квантовая физика. Углубленный уровень. 11 класс. Учебник (авторы: Г.

Что такое Квантовость?

1. свойство быть квантовым, иметь квантовый характер ◆ В работе «Энергетика Вселенной» показано, что квантовость видимого мира не ограничивается квантами механических масс и квантами фотонов лучевых энергий.

Что почитать по квантовой физике?

Это избранные лекции Фейнмана об этапах становления современной физики и ее связи с другими науками.

• Кокс Б., Форшоу Д. Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть. …
• Вайнберг С. Первые три минуты. М.: R& C Dynamics, 2000. …
• Ахмедов Э. О рождении и смерти черных дыр. М.: МЦНМО, 2015.

Что происходит во время квантового скачка?

При поглощении системой энергии происходит переход на более высокий энергетический уровень (возбуждение), при потере системой энергии происходит переход на более низкий энергетический уровень. … В квантовой механике подобные скачки связаны с неунитарной эволюцией квантовомеханической системы в процессе измерения.

Как работает квантовая телепортация?

Ква́нтовая телепорта́ция — передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в пространстве запутанной пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения и воссоздаётся в точке приёма.

Где используется квантовый компьютер?

И используются они для решения узкого круга задач — например, для моделирования атома водорода или поиска по базам данных. А вот выйти в Интернет или посмотреть видео с котиками с помощью квантового компьютера не получится. Тем не менее многие считают квантовые вычисления перспективными.

Какие задачи решает квантовый компьютер?

Задачи для квантовых компьютеров Основные сферы, в которых квантовый компьютер может дать выигрыш, — это оптимизация, моделирование сложных систем, обработка данных, машинное обучение и информационная безопасность.

В чем преимущество квантового компьютера?

Квантовые компьютеры расширят возможности по моделированию и управлению для задач, решения которых можно ускорить, применяя специальные возможности кубитов. Таким образом повышается эффективность планирования, моделирования и управления бизнесом, различными системами и научными разработками.

Что такое кубит?

Куби́т (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — квантовый разряд, или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. … Иными словами, совокупность запутанных между собой кубитов может интерпретироваться как заполненный квантовый регистр.

Что такое квантовый Интернет?

Квантовый интернет – это, по сути, сеть, соединяющая квантовые компьютеры или другие устройства и позволяющая им обмениваться информацией в среде, работающей на основе правил квантовой механики.

Что такое квантовые коммуникации?

Квантовые коммуникации (QC) — это область знаний о передаче неизвестного квантового состояния из одного местоположения (скажем, от Алисы) в другое, удаленное от первого местоположение (скажем, Бобу).

Можно ли научиться телепортироваться?

Однако несмотря на то, что телепортация – неотъемлемый атрибут научной фантастики, это не означает, что она невозможна. Безусловно, многие физики в этом сомневаются, но некоторые эксперты уверяют, что телепортация станет реальностью спустя несколько десятилетий.

Как использовать телепорт в Terraria?

Принцип работы Соединяем оба телепортера проводом. Ставим на провод возле обоих телепортеров рычаг, кнопку или выключатель. Встаём на телепорт и нажимаем рычаг. Персонаж моментально переносится.

Что такое телепортация человека?

-греч. τῆλε «далеко» + лат. portare «нести») — гипотетическое изменение координат объекта (перемещение), при котором траектория объекта не может быть описана математически непрерывной функцией времени. Наблюдается квантовая телепортация, но также были описаны несколько других видов телепортации (дырочная телепортация).

Когда изобрели телепортацию?

История реальной, а не вымышленной телепортации началась в 1993 году, когда американский физик Чарльз Беннетт математически – при помощи формул – доказал теоретическую возможность мгновенных квантовых перемещений.

Что характеризует принцип дополнительности?

Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.

Какой выход нашел м Планк?

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (нем. Max Karl Ernst Ludwig Planck; 23 апреля 1858, Киль — 4 октября 1947, Гёттинген) — немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики. … Планк впервые вывел уравнения динамики релятивистской частицы и заложил основы релятивистской термодинамики.

Что такое квант? – EWT

Background

Определение кванта из Dictionary.com – это «наименьшее количество лучистой энергии, равное постоянной Планка, умноженной на частоту связанного излучения». Это определение по существу относится к уравнению отношения Планка (E = hf), которое было определено Максом Планком. Позже он получил Нобелевскую премию в 1918 году за свою работу по квантовой энергии.

Планк открыл, что фотоны (включая свет) представляют собой «сгустки» энергии, как он это называл, а не непрерывную волну. Многие физики называли этот сгусток энергии Quanta (множественное число от квантов) в начале 1900-х годов, и теперь его обычно называют именно так.

Когда фотоны распространяются волнами, они представляют собой дискретные сгустки энергии – кванты. Когда электрон движется по орбите вокруг атома, он находится на квантовых энергетических уровнях. Электрон может находиться только на определенных орбиталях (энергетических уровнях). Когда электрон переходит между орбиталями, это называется квантовым скачком. Связь между электроном в атоме, находящимся на квантовых уровнях энергии, и фотоном, представляющим собой квантовые пакеты энергии, неудивительна. Переход электрона на более низкие орбитали создает фотон.

 

---

 

Объяснение

Квант трудно понять, потому что нынешнее объяснение субатомного мира сильно отличается от объяснения мира большего, чем атом. В настоящее время считается, что квантовый мир имеет другой набор правил во вселенной. Однако при небольшом изменении нашего образа мышления мост между квантовым миром и миром, который мы видим, становится очевидным. Оба живут по одним и тем же законам физики.

Чтобы изменить наш образ мыслей, нам нужно принять во внимание, что протон имеет как притягивающий, так и отталкивающий заряд. Компоненты протона и то, как это может произойти, представлены на странице, объясняющей протон. Это все еще сложно понять, поэтому для объяснения кванта будет использована аналогия.

Представьте себе фен и мячик для пинг-понга. Фен работает на малой скорости и направлен вверх, а шарик для пинг-понга помещается в поток надувающегося воздуха. Мяч для пинг-понга вибрирует, а затем занимает свое место в воздухе. Шарик для пинг-понга притягивается к земле под действием силы тяжести, но нагнетаемый воздух из фена удерживает его в подвешенном состоянии. Этот эксперимент можно провести дома. Пример следующий…

Кредит: Orboloops2 на Imgur. com

 

По аналогии мяч для пинг-понга представляет собой электрон на орбите вокруг одного протона. У протона есть сила притяжения (в данном случае гравитация Земли) и сила отталкивания (нагнетаемый воздух). Неправильное понимание протона и его свойства быть притягивающим и отталкивающим приводит к смешению кванта.

Прежде чем объяснять квантовую теорию с помощью теории энергетических волн, приведем еще несколько сценариев для эксперимента с шариком для пинг-понга, чтобы понять орбитали:

• Представьте себе такой же эксперимент, проводимый на более тяжелой планете с более сильной гравитацией. Шарик для пинг-понга будет ближе к фену, когда он займет свое место. Это эквивалентно большему количеству протонов в атоме.
• Представьте себе тот же эксперимент с феном на высоких настройках (вместо низких). Чем сильнее воздух, тем выше поднимается шарик для пинг-понга, но у фена есть только определенные настройки. Это эквивалентно большему количеству протонов, выстроенных в атоме, что вызывает орбитальные скачки.
• Представьте себе тот же эксперимент с дополнительными фенами, направленными на шарик для пинг-понга под другими углами и с других расстояний. Это приведет к тому, что мячик для пинг-понга получит новое место, где он сможет отдохнуть. Это эквивалент дополнительных электронов в атоме, обладающих силами отталкивания, меняющими орбитальные расстояния.

 

Атомная орбиталь – Уровни квантовой энергии

Сценарии с мячиком для пинг-понга – лучший способ объяснить силы электрона в атоме. Существует достаточно доказательств этой модели из теории энергетических волн: 1) структура протона соответствует экспериментам по бета-распаду, 2) точно рассчитаны орбитальные расстояния и 3) рассчитаны энергии ионизации электронов для первых двадцати элементов. Пример атома и силы притяжения (F ₁ ) и сила отталкивания (F ₂ ) показаны ниже. Точка, где силы равны, становится орбиталью. Каждая орбиталь имеет соответствующий энергетический уровень, соответствующий электрической силе притяжения электрона на этом расстоянии.

Атомная орбита

 

Объяснение протона решает только одну часть квантовой тайны. Это объясняет, как электрон остается на орбите вокруг протона, в отличие от позитрона. Это объясняет, как стабильный атом может иметь разные орбитали в зависимости от конфигурации его ядра. Но она (пока) не объяснила фотон.

 

Фотонное излучение – Создание квантовой энергии

Энергия всегда сохраняется, но меняет форму. Когда электрон попадает на орбиту ближе к атомному ядру, он колеблется и создает поперечную волну. Это перевод энергии продольных волн в энергию поперечных волн. Фотон представляет собой поперечную волну. Когда она создается из электрона в атоме, это кратковременная вибрация, поэтому она становится дискретным пакетом (квантов) энергии поперечной волны. Это фотон, и его свойства можно смоделировать в теории энергетических волн с помощью уравнения поперечной энергии, в котором полученная энергия точно равна энергии, потерянной при расчете с использованием уравнения продольной энергии.

Электрон может быть захвачен снаружи атома или может переходить между орбиталями, как показано на рисунке ниже. Но, как объяснено в структуре протона в примере с мячиком для пинг-понга, существуют определенные расстояния, на которых силы, действующие на электрон, будут равны нулю, в зависимости от количества протонов и размещения других электронов в атоме. Ниже приведен один из примеров создания фотона из вибрации электрона.

 

Поглощение фотонов – Поглощение квантовой энергии

Квантовая энергия фотонов также может поглощаться, преобразуя энергию поперечных волн обратно в энергию продольных волн. Подробная информация о том, как фотоны на определенных частотах поглощаются электронами, представлена ​​на странице фотонных взаимодействий. Короче говоря, поперечные волны вызывают более быстрое вращение электрона, увеличивая амплитуду продольной волны между ядрами. Это отталкивает электрон от ядра, но в конечном итоге он возвращается в основное состояние, поскольку увеличение амплитуды носит временный характер.

 

Квант не должен быть таинственным явлением, применимым только к субатомным частицам. Уровни энергии являются результатом множества сил в атоме, действующих на электрон, и движение электрона преобразует энергию между двумя различными формами волны: продольной и поперечной.

 

---

 

Видео – Что такое Quantum?

Видео What is Quantum  ниже объясняет странное поведение частиц на субатомном уровне.

 

 

---

 

Предыдущий: Что такое гравитация?

Далее: Что такое относительность?

Квантовое определение и значение | Dictionary.

com

• Основные определения
• Тест
• Связанный контент
• Примеры
• Британский
• Медицинский
• Научный

Уровень сложности этого слова.

[ квон-тум ]

/ ˈkwɒn təm /

Сохрани это слово!

См. синонимы для:quant / quanta на Thesaurus.com

Показывает уровень оценки в зависимости от сложности слова.

---

существительное во множественном числе quan·ta [kwon-tuh]. /ˈkwɒn tə/.

количество или сумма: наименьший объем улик.

конкретная сумма.

доля или доля.

большое количество; масса.

Физика.

1. наименьшее количество лучистой энергии, равное постоянной Планка, умноженной на частоту соответствующего излучения.
2. фундаментальная единица квантованной физической величины, такая как угловой момент.

прилагательное

внезапный и значительный: резкое увеличение производительности.

ВИКТОРИНА

Сыграем ли мы в «ДОЛЖЕН» ПРОТИВ. “ДОЛЖЕН” ВЫЗОВ?

Следует ли вам пройти этот тест на «должен» или «должен»? Это должно оказаться быстрым вызовом!

Вопрос 1 из 6

Какая форма используется для указания обязательства или обязанности кого-либо?

Происхождение кванта

16:10–20; существительное использование среднего рода латинского quantus сколько

Слова рядом квантовый

теория количества, квантовать, квантометр, квантонг, Quantrill, квант, квантовый бит, квантовая химия, квантовая хромодинамика, квантовый компьютер, квантовая криптография

Dictionary.com Unabridged На основе Random House Unabridged Dictionary, © Random House, Inc., 2022

Слова, относящиеся к количеству,

количество, мера, часть, сумма, сумма, единица измерения

Как использовать количество в предложении

• Другими словами, «если вы строите квантовый компьютер, положите его в подвал».

  Космические лучи могут создать проблему для будущих квантовых компьютеров|Нил Патель|26 августа 2020 г.|MIT Technology Review

• Нет сомнений, что квантовая теория успешна на практическом уровне.

  Кот Шредингера, когда никто не смотрит — Выпуск 89: Темная сторона|Дэниэл Сударски|26 августа 2020|Наутилус

• То есть нам пока не нужны квантовые вычисления или нанотрубчатые транзисторы для увеличения или замены кремниевых чипов.

  Закон Мура в силе: Intel заявляет, что чипы будут содержать в 50 раз больше транзисторов|Джейсон Доррье|23 августа 2020 г.|Центр Singularity .

  Потрясающие технические истории этой недели со всего Интернета (до 22 августа)|Сотрудники Центра Singularity|22 августа 2020 г.|Центр Singularity результат взаимодействия.

  Математическая структура столкновений частиц стала известна|Чарли Вуд|20 августа 2020 г.|Журнал Quanta

• Он специализировался в области математической физики, изучая умопомрачительные теории квантовой механики и уравнений в частных производных.

  Как АНБ стало машиной для убийств|Шейн Харрис|9 ноября 2014 г.|DAILY BEAST

• По этой причине исследователи разработали основу для описания квантовой теории в сочетании с общей теорией относительности.

  Черные дыры существуют. Плохая наука тоже | Мэтью Р. Фрэнсис | 28 сентября 2014 г. | DAILY BEAST

• Как ни странно эта теория, обращение к «квантовой физике» не является оговоркой о побеге от подчинения физическим законам.

  Уважаемое НАСА: Бестопливный ракетный двигатель буквально слишком хорош, чтобы быть правдой|Мэттью Р. Фрэнсис|4 августа 2014 г.|DAILY BEAST

• Согласно правилам, каждый тип атома и молекулы имеет свой уникальный спектр квантовой механики.

  SAMI подобен Google Earth для Вселенной|Мэттью Р. Фрэнсис|27 июля 2014 г.|DAILY BEAST

• Вот почему он продолжает двигаться вперед, даже когда шансы на успех падают до квантового уровня.

  Афера Obamacare|Жамель Буи|18 сентября 2013|DAILY BEAST

• Он погрузился в счастливый туман квантовой механики, теории колебаний и периодических функций комплексной переменной.

  Security|Poul William Anderson

• Этот человек использовал упрощенную квантовую механику без поправки на релятивистские эффекты.

  Security|Poul William Anderson

• Орто-молекулы вращаются с нечетными квантовыми числами, а пара-молекулы вращаются с четными квантовыми числами.

  Неразумное дитя|Гордон Рэндалл Гарретт

• Во-первых, газеты можно превратить в роман практически без каких-либо существенных изменений и только с квантовым дополнением.

  Английский роман|Джордж Сейнтсбери

• Paretur itaque librorumquantum satis sit, nihil in apparatum.

  The Book-Hunter | John Hill Burton

Британские определения словаря для Quantum

Quantum

/ (ˈKWɒntəm) /

---

SUN PLULAL -TA (-Tə)

Physics

1. . некоторое физическое свойство, такое как энергия, которой система может обладать в соответствии с квантовой теорией
2. частица с такой единицей энергии

количество или количество, особенно конкретное количество

(часто используется с отрицательным знаком) наименьшее возможная сумма, которая может быть достаточнойнет достаточного количества улик для вашего обвинения

что-то, что может быть определено количественно или измерено

(модификатор) незначительное, внезапное, впечатляющее или жизненно важное квантовое улучшение и полное цифровое издание 2012 г. © William Collins Sons & Co. Ltd., 1979, 1986 © HarperCollins Издатели 1998, 2000, 2003, 2005, 2006, 2007, 2009, 2012

Медицинские определения кванта

квант

[ kwŏn′təm ]

---

сущ. пл. Quant•ta (-tə)

Наименьшее количество физической величины, которое может существовать независимо, особенно дискретное количество электромагнитного излучения.

Это количество энергии рассматривается как единица.

Количество или сумма.

Медицинский словарь Стедмана The American Heritage® Copyright © 2002, 2001, 1995, компания Houghton Mifflin. Опубликовано компанией Houghton Mifflin.

Научные определения кванта

квант

[ kwŏn′təm ]

---

Множественные кванты

Дискретное, неделимое проявление физического свойства, такого как сила или угловой момент. Некоторые кванты принимают форму элементарных частиц; например, квантом электромагнитного излучения является фотон, а квантом слабого взаимодействия являются частицы W и Z. См. также квантовое состояние.

Научный словарь American Heritage® Авторские права © 2011. Опубликовано издательством Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.

Квантовые вычисления: работа, важность и использование

Квантовые вычисления определяются как вычислительная технология, использующая принципы квантовой механики, такие как запутанность, суперпозиция и интерференция, для обработки, хранения и управления большими объемами данных и выполнять сложные вычисления для обычных вычислительных систем и суперкомпьютеров. В этой статье объясняются квантовые вычисления, их работа, важность и приложения.

Содержание

• Что такое квантовые вычисления?
• Как работают квантовые вычисления?
• Важность квантовых вычислений
• 8 основных приложений квантовых вычислений

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления относятся к вычислительной технологии, которая использует принципы квантовой механики, такие как запутанность, суперпозиция и интерференция, для обработки, хранения и манипулирования большими объемами данных и выполнения сложных вычислений для обычных вычислительных систем и суперкомпьютеров для понимания .

Современные обычные компьютеры работают на чипах, которые используют биты для вычислений. Эти биты принимают одно из двух значений — ноль или единица, — где ноль представляет положение «выключено», а единица представляет положение «включено». Несколько таких битов, которые показывают комбинацию единиц и нулей, являются основными единицами каждого веб-сайта, приложения или фотографии, которые мы используем или к которым обращаемся.

Хотя биты удобны в использовании, они по существу не раскрывают природу нашей Вселенной, кроме условий включения и выключения. Неопределенность присуща нашему миру. Однако даже самые мощные суперкомпьютеры сегодня не могут обработать эту неопределенность, порождая тем самым вычислительную пустоту.

Фактор неопределенности был обнаружен в прошлом столетии, когда ученые обнаружили, что физические законы неприменимы на субатомном уровне и резко отличаются от тех, которые мы наблюдаем ежедневно. Это привело к развитию « квантовой механики », которая расшифровала науку о субатомных элементах. Он заложил основы физики, химии и биологии.

Теперь, когда явление неопределенности стало очевидным, технологам понадобился инструмент для выполнения расчетов при управлении неопределенностью. Таким образом, Квантовые вычисления ‘родились. Он основан на физических законах, управляющих субатомным миром, где элементарные частицы могут одновременно находиться в нескольких состояниях и местах. Технология наблюдает за поведением материи и энергии на квантовом уровне и использует его в модели квантовых вычислений.

Таким образом, технология квантовых вычислений использует, манипулирует и контролирует эти законы квантовой теории для выполнения сложных задач и вычислений с некоторой неопределенностью. Хотя квантовые вычисления — относительно новая технология, такие компании, как IBM , Google , D-Wave , Microsoft, и другие добились значительных успехов в этой области.

В январе 2019 года IBM совершила гигантский скачок в области квантовых вычислений, объявив о запуске своего первого коммерческого квантового компьютера. С другой стороны, в октябре 2019 года Google объявила, что разработала квантовую машину, которая может решить обычно сложную задачу за 200 секунд, что в противном случае заняло бы около 10 тысяч лет для самого быстрого в мире суперкомпьютера 9.0367 для вычисления.

Подробнее: Что такое вездесущие вычисления (повсеместные вычисления)? Значение, уровни, примеры и приложения

Как работают квантовые вычисления?

Современные компьютеры используют двоичные системы для кодирования данных. Такая бинарная структура работает на процессорах, которые используют транзисторы для вычислений. Транзисторы действуют как переключатели в схеме компьютера и создают 0 и 1 для обработки вычислительной логики. Однако когда дело доходит до квантовых компьютеров, эти 0 и 1 заменяются квантовыми битами, также называемыми кубитами, которые кодируют квантовой информации и обработки различных квантовых состояний.

Ключевые компоненты , которые управляют моделью квантовых вычислений:

1.

Кубиты

Квантовые компьютеры работают на кубитах. Они представляют собой квантово-механических системы , которые могут принимать различные квантовые значения и экспоненциально масштабироваться за пределы обычных единиц и нулей. Например, система с двумя кубитами может выполнять четыре параллельных вычисления, тогда как система с тремя кубитами — восемь, а система с четырьмя кубитами — 16.

Давайте посмотрим на представление кубита:

Рассмотрим приведенный выше рисунок, где бит принимает значения 0 или 1 и представлен AB. Напротив, представление сферы показывает, что кубит может принимать несколько значений, идентифицированных на поверхности сферы. С каждой точкой связана следующая пара широта-долгота, представляющая 0 или 1 и значения фазы соответственно.

2. Суперпозиция

Суперпозиция подразумевает, что квантовая система способна находиться в нескольких различных состояниях одновременно. Например, рассмотрим сценарий подбрасывания монеты. Когда вы подбрасываете монету, она выпадает либо орлом, либо решкой. Однако если рассматривать состояние монеты, когда она подвешена в воздухе, то она держит одновременно и орел, и решку. Точно так же квантовые частицы , такие как электроны, находятся в состоянии квантовой суперпозиции до тех пор, пока они не будут измерены. В результате в квантовых компьютерах учитывается фактор «неопределенности».

3. Запутанность

Запутанность относится к запутыванию двух или более кубитов путем установления корреляции между ними. Когда кубиты запутаны, любое изменение одного из кубитов неизменно влияет на остальные без исключения. Например, предположим, что вы ввели дополнительный кубит в 60-кубитный компьютер. В таком случае квантовый компьютер может одновременно оценивать 260 состояний. Добавление кубита вместе со свойством запутанности позволяет компьютеру выполнять вычисления быстрее, чем обычно. Следовательно, алгоритмы квантовых вычислений используют квантовую запутанность для более быстрой обработки данных.

4. Интерференция

Интерференция — это метод управления квантовыми состояниями в квантовой машине путем усиления или ослабления волновых функций квантовых частиц. В результате квантовые состояния, приводящие к правильному выводу, могут быть усилены, а состояния, дающие неверный вывод, впоследствии могут быть отменены.

5. Когерентность

Квантовые машины плохо работают в шумной среде. На них влияет внешний шум, поскольку состояние «суперпозиции», поддерживаемое кубитами, нарушается, что приводит к ошибкам в вычислениях. Более того, квантовые состояния сохраняют информацию только на короткое время. Следовательно, зная, что данные могут потерять согласованность в кратчайшие сроки, жизненно важно выполнять вычислительные задачи, пока информация еще жива.

Чтобы преодолеть такие проблемы, квантовые компьютеры поддерживаются при низких температурах (близких к абсолютному нулю). Поскольку тепло чувствительно к шуму и ошибкам, предпочтительны более низкие температуры, чтобы обеспечить более длительное сохранение квантового состояния кубитов, включая суперпозицию и запутанность.

Давайте разберемся с работой квантового компьютера на примере:

Допустим, вы приглашаете пятерых коллег на свою свадьбу, и вам нужно спланировать их рассадку. Всего способов сделать это 5! = 120. Теперь обычная вычислительная система обычно оценивает каждую из 120 возможностей, сравнивает их и затем принимает решение об окончательной оптимизации.

Однако квантовый компьютер предпринимает следующие шаги для оптимизации распределения мест:

1. Учитывает кубиты и создает квантовую суперпозицию для всех возможных квантовых состояний.
2. Кодер применяет фазы к каждому квантовому состоянию и настраивает кубиты. Для возможных способов сидения, попадающих в фазу, амплитуды складываются, в то время как для несовпадающих по фазе способов амплитуды компенсируются. Этот процесс аналогичен технологии шумоподавления, используемой в динамиках и наушниках, где шум создается или применяется для поэтапного подавления внешнего шума.
3. Затем квантовый компьютер использует интерференцию, чтобы усилить или усилить одни ответы и отменить или ослабить другие. В результате, наконец, достигнуто единое решение для оптимизации распределения мест.

Подробнее: Узкий ИИ, общий ИИ и сверхвысокий ИИ: ключевые сравнения

Важность квантовых вычислений

криптография , финансы и т.д., в ближайшее десятилетие. Достижения в области квантовых вычислений подпитываются в основном деньгами, вкладываемыми инвесторами, правительствами и компаниями, которые стремятся достичь абсолютного квантового превосходства.

В 2019 году правительство США запустило «Национальную квантовую инициативу», направленную на расширение области квантовых вычислений. Кроме того, правительство также выделило 1,2 миллиарда долларов, которые будут использованы для продвижения квантовой сферы. Точно так же Китай продвигает свои квантовые мечты, инвестируя 10 миллиардов долларов в создание «Национальной лаборатории квантовых информационных наук».

Давайте рассмотрим причины, по которым сегодня предпочитают квантовые вычисления:

1.

Стремление решить все более сложные проблемы

Проблемы, с которыми сегодня сталкиваются земляне, намного сложнее, чем те, которые могут решить передовые технологии. Такие проблемы имеют высокую сложность, а это означает, что сегодняшним суперкомпьютерам потребуются столетия, чтобы решить эти проблемы.

Некоторыми примерами являются современные проблемы кибербезопасности, проблемы оптимизации, управление профилями запасов, проблемы, связанные с аэрокосмической промышленностью, молекулярными исследованиями и другие. Другой пример связан с моделирование белков . Во время пандемии COVID-19 научное сообщество изо всех сил пыталось найти вычислительный инструмент, который мог бы моделировать и деактивировать один белок за меньшее время. Если бы такой инструмент был доступен, он мог бы спасти мир от этого глобального кризиса в области здравоохранения.

Сегодня еще одной критической областью является использование энергии. С экспоненциальным ростом населения Земли потребление энергии значительно увеличилось. Это создало проблему «оптимизации источника энергии», с которой современным компьютерам трудно справиться. С появлением квантовых вычислений в компьютерном мире есть надежда, что наконец-то можно решить такие сложные проблемы.

2. Коммерческий потенциал квантовых вычислений

Давайте разберем пример приложения, которое приносит пользу фермерам, сельскохозяйственным компаниям и смежным отраслям.

Общеизвестно, что около 50% мирового производства продуктов питания зависит от аммиачных удобрений. Этот аммиак производится с помощью химического процесса, называемого «процессом Габера-Боша», который требует высокой температуры и давления. С физическими ограничениями процесса немного сложно справиться, поскольку они вызывают значительное потребление энергии, что является одной из больших проблем.

Здесь вступают в игру квантовые компьютеры. Уже установлено, что наша планета может производить аммиачное удобрение при стандартной температуре и давлении с помощью фермента под названием «нитрогеназа». Однако этот фермент вырабатывается с помощью сложной каталитической процедуры, с которой современные компьютеры не справляются. Этот процесс включает в себя молекулярное моделирование, при котором нитрогеназа картируется, проходя путь через почти 1000 атомов углерода. Таким образом, ограничивается промышленное производство нитрогеназы, что влияет на общий объем промышленного производства аммиачных удобрений.

Здесь на помощь могут прийти квантовые компьютеры, создающие молекулярные модели нитрогеназы. Компьютеры могут дополнительно разработать молекулы, похожие на фермент, и помочь производить недорогой и низкоэнергетический аммиак.

Благодаря квантовым вычислениям удобрения на основе аммиака будут легко доступны по доступной цене. Эта технология также снизит нагрузку на потребление энергии, обычно наблюдаемую в процессе разработки нитрогеназы.

3. Поддерживает нелинейные задачи

Классические вычисления лучше всего подходят для линейных задач, где основное внимание уделяется последовательным операциям. Такие вычислительные системы строятся на основе линейной математики, изучающей линейные уравнения и свойства преобразований.

Однако природа принципиально нелинейна с долей неопределенности. Классические системы плохо решают такие нелинейные задачи. Однако квантовые компьютеры могут обрабатывать нелинейные данные. Примеры таких нелинейных задач включают оптимизацию равновесия трафика, вероятность посадки на Луну и т. д.

4. Обработка огромного количества данных

Мы живем в цифровую эпоху и в мире больших данных, где ежедневно генерируется феноменальное количество данных. С появлением Интернета все, что появляется на свет, каждое IoT-устройство, носимое устройство, гаджет и датчик взаимосвязаны с вычислительной сетью, тем самым внося свой вклад в генерируемые данные. По данным Domo, вычислительные устройства ежедневно генерируют около 2,5 квинтиллионов байт данных.

Современные компьютеры и суперкомпьютеры подвержены ошибкам при обработке такого огромного количества данных, что влияет на производительность. Кроме того, вычислительные задачи, такие как тестирование эффектов лекарств на молекулярном уровне, сложны для классические компьютеры управлять. Вместо этого квантовые компьютеры лучше подходят для таких задач, поскольку они могут быстрее обрабатывать значительные объемы данных.

Подробнее: Что такое семантический анализ? Определение, примеры и приложения в 2022 году

8 лучших приложений квантовых вычислений

Квантовые вычисления открыли возможности в нескольких отраслях и дисциплинах, от фармацевтики, химического машиностроения и информационных и коммуникационных технологий до финансов, автомобилестроения и аэрокосмической отрасли.

Давайте рассмотрим восемь основных приложений, которые являются следствием квантовых вычислений:

1. Машинное обучение

Квантовые вычисления могут точно настраивать алгоритмы, такие как нейронные сети, которые широко используются в машинном обучении. Более того, популярные алгоритмы глубокого обучения и машинного обучения, широко используемые для задач оптимизации, могут быть дополнительно оптимизированы с использованием квантовых компьютеров, поскольку они сочетают классическое и квантовое моделирование для решения задач.

Поскольку квантовые вычисления могут обрабатывать большие объемы данных, они могут помочь в принятии лучших решений и прогнозов, например, в таких приложениях, как распознавание лиц, распознавание объектов и обнаружение мошенничества. Кроме того, исследования в области квантового машинного обучения ведут к разработке квантовых алгоритмов, которые могут ускорить процессы искусственного интеллекта (ИИ).

Машинное обучение, вдохновленное квантовыми вычислениями, также может помочь в разработке методов нейтрализации угроз кибербезопасности. Это также может помочь в разработке методов шифрования, тем самым стимулируя область квантовой криптографии.

2. Разработка лекарств

Квантовые вычисления могут играть решающую роль в разработке лекарств, при этом лекарства можно тестировать на стабильную молекулярную конфигурацию с использованием процессов молекулярного моделирования . Кроме того, квантовые компьютеры могут выполнять расширенное моделирование различных участвующих органических молекул, что помогает решить, подходят ли органические молекулы для лекарства.

Квантовые вычисления обычно подходят для решения задач комбинаторной оптимизации, когда для 9Разработка препарата 0364 неизвестна или недоступна. Кроме того, испытания на основе моделирования могут помочь своевременно вывести лекарства на рынок и значительно сэкономить на их исследованиях и разработках.

3. Моделирование химических процессов

Квантовые вычисления играют ключевую роль в разработке молекулярных структур, таких как фермент нитрогеназа, наблюдаемый в удобрениях на основе аммиака. Квантовое моделирование можно использовать для моделирования химических процессов и сложных атомных взаимодействий, которые обрабатываются быстрее, чем традиционные методы лабораторных экспериментов, использующие тактику проб и ошибок. Таким образом, квантовые вычисления могут произвести революцию в области химическое машиностроение .

4. Финансы

Квантовые вычисления могут преодолеть недостатки традиционных алгоритмов, которые плохо работают в срочных финансовых операциях. Это может помочь в управлении портфелем акций , инвестициях и финансовой торговле .

Рассмотрим пример стандартной модели высокочастотной торговли . В таких моделях существует значительный временной лаг между двумя последовательными финансовыми транзакциями. Инвесторы могут понести убытки из-за этой временной задержки, поскольку они не могут часто перебалансировать. Эту проблему можно решить с помощью квантовых вычислений, поскольку они ускоряют финансовые расчеты, связанные с торговлей.

Квантовые вычисления могут использоваться банками для оптимизации портфеля для обработки, планирования и определения приоритетов нескольких финансовых транзакций. Квантовые вычисления можно использовать с помощью квантовых процессоров, комбинации нескольких кубитов, которые используют квантовые свойства для определения наилучшего возможного ответа.

Квантовые вычисления также полезны для определения финансовых рисков, поскольку они ускоряют моделирование методом Монте-Карло за счет разработки моделей, которые дают потенциальные результаты посредством распределения вероятностей для неопределенных факторов. Он вычисляет результаты несколько раз, используя разные значения и функции вероятности.

5. Разработка самолетов

Компании могут использовать квантовые вычисления в процессе проектирования самолетов. Весь самолет можно смоделировать и оцифровать, что ускоряет моделирование. Сегодня аэрокосмические инженеры тратят достаточно времени — обычно месяцы или годы — на моделирование потока воздуха над крылом самолета. Однако квантовые вычисления позволяют быстрее выполнять математические расчеты, тем самым повышая эффективность проектирования самолетов. Они также могут использовать квантовые принципы для других целей, таких как оптимизация расхода топлива и управление скоростью самолета, что позволит выполнить устойчивость целей отрасли.

6. Автомобильная промышленность

Автомобильная промышленность уже извлекает выгоду из парадигмы квантовых вычислений. Например, Volkswagen, лидер в этой отрасли, заключил партнерское соглашение с поставщиком квантовых вычислений D-Wave, чтобы совершить прыжок в мир квантовых вычислений. В 2019 году несколько автобусов Volkswagen были оснащены навигационным приложением, разработанным D-wave , которое предлагает квантовые услуги в режиме реального времени, такие как информация о данных о пробках или наилучшие возможные маршруты до пункта назначения, уменьшенные до миллисекундного времени. Рамка.

Точно так же Mercedes-Benz Group (Daimler AG) заключила партнерское соглашение с IBM в январе 2020 года для разработки литиевых батарей следующего поколения с помощью квантового компьютера .

7. Разработка климатических моделей

Современные климатические модели, используемые для составления прогнозов погоды, не так точны, как должны быть. В первую очередь это связано с тем, что необходимо смоделировать несколько входных данных, представляющих реальные условия. Классические вычислительные системы не могут обрабатывать большие объемы входных данных. Здесь квантовые компьютеры, которые могут вместить столько входных данных, могут помочь в разработке точных моделей климата.

Это означает, что квантовые компьютеры могут моделировать мельчайшие переменные окружающей среды, такие как ветер, температура, влажность, давление и т. д., и понимать, как они реагируют на различные погодные условия в атмосфере. Такие детализированные детали могут позволить исследователям рассчитывать и отслеживать несколько параметров окружающей среды в режиме реального времени, что поможет в точном прогнозировании погоды .

8. Разработка твердых материалов

Исследователи могут использовать квантовые вычисления для разработки квантово-механических моделей, определяющих характеристики и свойства современных материалов. Квантовая модель Монте-Карло может использоваться там, где может быть смоделирована внутренняя структура твердых материалов, что позволяет открывать совершенно новые материалы, которые намного сложнее для обычных вычислительных моделей. Например, в 2020 году исследователи из Чикагского университета использовали 53-кубитный квантовый процессор IBM Hummingbird для разработки нового квантового материала, «экситонного конденсата», посредством квантового моделирования.

Узнать больше: Что такое сверхискусственный интеллект (ИИ)? Определение, угрозы и тенденции

Takeaway

Квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии. Доступные в настоящее время квантовые компьютеры предъявляют особые требования к оборудованию и температурным условиям охлаждения. Однако, поскольку несколько крупных компаний, правительств и академических учреждений продолжают инвестировать миллионы долларов в исследования и разработки квантовых вычислений, вскоре квантовые вычисления станут повсеместной вычислительной технологией.

Помогла ли вам эта статья понять основные концепции квантовых вычислений? Комментарий ниже или сообщите нам о Facebook , Twitter или или , или , или , или , или или . Мы хотели бы услышать от вас!

ЕЩЕ ОБ ИСКУССТВЕННОМ ИНТЕЛЛЕКТЕ

• Линейная регрессия и логистическая регрессия: понимание 13 ключевых различий
• 10 лучших программ и платформ для распознавания речи в 2022 году
• Узкий ИИ, общий ИИ и сверхвысокий ИИ: ключевые сравнения
• Что такое чат-бот? Значение, работа, типы и примеры
• Что такое искусственный интеллект (ИИ) как услуга? Определение, архитектура и тенденции

Что такое квантовые вычисления? | ИБМ

Смотреть системы IBM Quantum

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления — это быстро развивающаяся технология, которая использует законы квантовой механики для решения задач, слишком сложных для классических компьютеров.

Сегодня IBM Quantum делает настоящее квантовое оборудование — инструмент, который ученые только начали придумывать три десятилетия назад, — доступный тысячам разработчиков. Наши инженеры регулярно выпускают все более мощные сверхпроводящие квантовые процессоры, повышая скорость и мощность квантовых вычислений, необходимые для изменения мира.

Эти машины сильно отличаются от классических компьютеров, которые существуют уже более полувека. Вот учебник по этой преобразующей технологии.

Изучите системы IBM Quantum

Зачем нужны квантовые компьютеры?

Для решения некоторых задач суперкомпьютеры не так уж и хороши.

Когда ученые и инженеры сталкиваются со сложными проблемами, они обращаются к суперкомпьютерам. Это очень большие классические компьютеры, часто с тысячами классических процессорных и графических ядер. Однако даже суперкомпьютеры с трудом решают определенные задачи.

Если суперкомпьютер заходит в тупик, то это, вероятно, потому, что большую классическую машину попросили решить задачу высокой степени сложности. Когда классические компьютеры терпят неудачу, это часто происходит из-за сложности. Моделирование поведения отдельных атомов в молекуле представляет собой сложную задачу из-за того, что все различные электроны взаимодействуют друг с другом. Выбор идеальных маршрутов для нескольких сотен танкеров в глобальной судоходной сети также сложен.

 

Где используются квантовые компьютеры?

Mercedes-Benz исследует будущее электромобилей

ExxonMobile стремится решать сложные энергетические задачи

ЦЕРН работает над объяснением космических тайн

Почему квантовые компьютеры быстрее

Давайте рассмотрим пример, который показывает, как квантовые компьютеры могут преуспеть там, где классические компьютеры терпят неудачу: 

Суперкомпьютер может отлично справляться со сложными задачами, такими как сортировка в большой базе данных белковых последовательностей. Но ему будет сложно увидеть тонкие закономерности в этих данных, которые определяют поведение этих белков.

Белки представляют собой длинные цепочки аминокислот, которые становятся полезными биологическими машинами, когда они складываются в сложные формы. Выяснение того, как белки будут сворачиваться, является проблемой, имеющей важные последствия для биологии и медицины.

Классический суперкомпьютер мог бы попытаться свернуть белок грубой силой, задействовав множество процессоров для проверки всех возможных способов изгиба химической цепи, прежде чем получить ответ. Но по мере того, как последовательности белков становятся длиннее и сложнее, суперкомпьютер останавливается. Цепочка из 100 аминокислот теоретически может складываться любым из многих триллионов способов. Ни у одного компьютера нет оперативной памяти для обработки всех возможных комбинаций отдельных складок.

Квантовые алгоритмы по-новому подходят к таким сложным проблемам, создавая многомерные пространства, в которых возникают паттерны, связывающие отдельные точки данных. В случае проблемы фолдинга белка этот паттерн может быть комбинацией фолдингов, для производства которых требуется наименьшая энергия. Такое сочетание складок является решением проблемы.

Классические компьютеры не могут создавать эти вычислительные пространства, поэтому они не могут найти эти закономерности. В случае с белками уже существуют ранние квантовые алгоритмы, которые могут находить паттерны сворачивания совершенно новыми, более эффективными способами, без трудоемких процедур проверки классических компьютеров. По мере масштабирования квантового оборудования и развития этих алгоритмов они смогут решать проблемы сворачивания белков, которые слишком сложны для любого суперкомпьютера.

Как сложность ставит суперкомпьютеры в тупик

Белки — это длинные цепочки аминокислот, которые становятся полезными биологическими машинами, когда они складываются в сложные формы. Выяснение того, как белки будут сворачиваться, является проблемой, имеющей важные последствия для биологии и медицины.

Классический суперкомпьютер мог бы попытаться свернуть белок грубой силой, задействовав множество процессоров для проверки всех возможных способов изгиба химической цепи, прежде чем получить ответ. Но по мере того, как последовательности белков становятся длиннее и сложнее, суперкомпьютер останавливается. Цепочка из 100 аминокислот теоретически может складываться любым из многих триллионов способов. Ни у одного компьютера нет оперативной памяти для обработки всех возможных комбинаций отдельных складок.

Квантовые компьютеры созданы для сложности
Квантовые алгоритмы используют новый подход к такого рода сложным проблемам — создание многомерных пространств, в которых возникают закономерности, связывающие отдельные точки данных. Классические компьютеры не могут создавать эти вычислительные пространства, поэтому они не могут найти эти закономерности. В случае с белками уже существуют ранние квантовые алгоритмы, которые могут находить паттерны сворачивания совершенно новыми, более эффективными способами, без трудоемких процедур проверки классических компьютеров. По мере масштабирования квантового оборудования и развития этих алгоритмов они смогут решать проблемы сворачивания белков, которые слишком сложны для любого суперкомпьютера.

Как работают квантовые компьютеры?

Квантовые компьютеры — это элегантные машины, меньшего размера и требующие меньше энергии, чем суперкомпьютеры. Процессор IBM Quantum представляет собой пластину ненамного больше той, что используется в ноутбуке. Квантовая аппаратная система размером с автомобиль состоит в основном из систем охлаждения, поддерживающих сверхнизкую рабочую температуру сверхпроводящего процессора.

Классический процессор использует биты для выполнения своих операций. Квантовый компьютер использует кубиты (CUE-биты) для запуска многомерных квантовых алгоритмов.

Сверхжидкости
Ваш настольный компьютер, скорее всего, использует вентилятор для достаточного охлаждения для работы. Наши квантовые процессоры должны быть очень холодными — около сотой доли градуса выше абсолютного нуля. Для этого мы используем переохлажденные сверхтекучие жидкости для создания сверхпроводников.

Сверхпроводники
При таких сверхнизких температурах некоторые материалы в наших процессорах проявляют еще один важный квантово-механический эффект: электроны проходят через них без сопротивления. Это делает их «сверхпроводниками». Когда электроны проходят через сверхпроводники, они совпадают, образуя «куперовские пары». Эти пары могут переносить заряд через барьеры или изоляторы посредством процесса, известного как квантовое туннелирование. Два сверхпроводника, помещенные по обе стороны от изолятора, образуют джозефсоновский переход.

Управление
В наших квантовых компьютерах джозефсоновские контакты используются как сверхпроводящие кубиты. Направляя микроволновые фотоны на эти кубиты, мы можем контролировать их поведение и заставлять их сохранять, изменять и считывать отдельные единицы квантовой информации.

Суперпозиция
Кубит сам по себе не очень полезен. Но он может выполнить важный трюк: поместить содержащуюся в нем квантовую информацию в состояние суперпозиции, которое представляет собой комбинацию всех возможных конфигураций кубита. Группы кубитов в суперпозиции могут создавать сложные многомерные вычислительные пространства. Сложные проблемы могут быть представлены в этих пространствах по-новому.

Запутанность
Запутанность — это квантово-механический эффект, который коррелирует поведение двух отдельных вещей. Когда два кубита запутаны, изменения в одном кубите напрямую влияют на другой. Квантовые алгоритмы используют эти отношения для поиска решений сложных проблем.

Шумиха о квантовых вычислениях против реальности

IBM Quantum — ваш партнер, который поможет преодолеть шумиху вокруг квантовых вычислений и поможет вашему учреждению использовать эту новую технологию для получения конкурентного преимущества. Вот что бизнес-лидеры должны понимать о квантовых вычислениях сегодня.

Настоящий разговор о квантовых вычислениях для бизнеса (1:38)

Квантовые компьютеры способны изменить ваш подход к исследованиям. Классические компьютеры увязают в попытках моделировать естественные системы, включая химические реакции и сворачивание белков. Квантовые компьютеры предлагают новый набор инструментов для понимания Вселенной.

Настоящий разговор о квантовых вычислениях для исследований (1:43)

Программирование для квантовых компьютеров не требует длительной переподготовки или новых языков программирования. Но это все равно даст вам доступ к совершенно новой вычислительной парадигме. Вот основы, которые вам нужно знать, чтобы начать квантовую разработку сегодня.

Настоящий разговор о квантовых вычислениях для разработчиков (1:39)

Изучите программирование квантовых вычислений

Вы можете бесплатно исследовать мир квантовых вычислений в IBM Cloud и научиться писать квантовый код, начиная с абсолютно нулевого опыта. Если вы разработчик, присоединяйтесь к крупнейшему в мире сообществу квантовых разработчиков и начните прямо сегодня.

Квантовые компьютеры IBM программируются с помощью Qiskit (ссылка находится за пределами ibm.com), набора для разработки программного обеспечения на Python. Qiskit является бесплатным продуктом с открытым исходным кодом и сопровождается исчерпывающим учебником и семестровым курсом.

Изучите квантовые вычисления

Начать

Квантовое программное обеспечение и инструменты программирования

Запускайте квантовые алгоритмы для реальных приложений, используя пакет разработки с инструментами, знакомыми всем, кто работал с существующими языками программирования.

Среда выполнения Qiskit

Легко создавайте мощные квантовые алгоритмы, а затем запускайте их в любом масштабе.

Квантовые вычислительные системы

Наши локальные системы и облачные сервисы адаптированы для удовлетворения потребностей мировой промышленности, учреждений и правительств.

Ресурсы

QC — Что такое квантовый компьютер? Ажиотаж вызывает любопытство, но также вызывает… | Джонатан Хуэй

Фото Нонг Ванг

Ажиотаж вызывает любопытство, но также вызывает ненужные неудобства. Google утверждает, что впервые продемонстрировал квантовое превосходство со своим 53-кубитным квантовым процессором Sycamore, построенным на сверхпроводящих схемах. Это важно, потому что ни один настоящий компьютер не решил проблему, на решение которой традиционному компьютеру требуется «вечность». Генератор случайных чисел, описанный в статье, создан за 200 секунд, в то время как, по утверждению Google, потребуется 10 000 лет, чтобы математически смоделировать тот же генератор с помощью классического компьютера. Это квантовое превосходство, которого ищет исследовательское сообщество. Однако не ожидайте, что в ближайшие месяцы нас ждет скачок в вычислительной технике. Для более интересных задач требуется еще много прогресса.

Многие журналы сообщают о квантовом прорыве в том, как кубиты могут хранить больше информации, чем двоичный бит, который равен либо нулю, либо только единице. Допустим, кубит может содержать на 1 миллиард больше информации, чем двоичный бит, машина с 53 кубитами просто эквивалентна машине с 6,6 Гбайт. Я купил ноутбук на 16 ГБ 5 лет назад. Если вы думаете, что квантовые вычисления — это кодирование большего количества информации в один «бит», мы сильно упустим весь их потенциал. Вместо того, чтобы давать вам 60-секундный ответ со всеми модными словечками, мы создадим необходимую основу, чтобы мы могли глубже изучить тему.

По сути, классический компьютер (тот, который мы используем) хранит информацию в форме нулей и единиц, называемых битами, в то время как квантовый компьютер кодирует информацию в гораздо более богатых состояниях, называемых кубитами . В то время как один бит имеет 2 возможных состояния, кубит может находиться в любом состоянии на поверхности сферы внизу.

Поэтому кажется естественным продвигать квантовые компьютеры как способ создания меньшего компьютера с большей мощностью. Нет, на самом деле ученые не верят, что в ближайшее время у нас будет квантовый компьютер размером с ноутбук. В 2018 году самый большой общий квантовый компьютер имеет всего 72 кубита.

Квантовая информация уязвима для помех со стороны окружающей среды. Материи взаимодействуют. Даже квантовый процессор, содержащий кубиты, мал, нам нужно много оборудования, чтобы изолировать кубиты.

Изменено из источника IBM

Например, взгляните на квантовый компьютер IBM, который содержит 50 кубитов.

Слева (внутри квантового компьютера IBM на 50 кубитов) Справа (закрывает квантовый компьютер)

Для изоляции окружающей среды квантовый компьютер IBM оснащен рефрижератором растворения для охлаждения квантового процессора до 15 миллилитров ° Кельвин. Он также содержит множество кабелей, которые посылают микроволновые импульсы для чтения кубитов и управления ими. В квантовой физике размер оборудования не является его силой. Чтобы получить доступ и управлять в квантовом масштабе, машины обычно становятся большими, а не маленькими. Так что «биты против кубитов» — это часть, но не вся история квантовых вычислений.

Во-первых, нам нужно понять мотивацию квантовых вычислений. В 1981 году лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман задался вопросом: «Какой компьютер мы собираемся использовать для моделирования физики?» В своем выступлении

Природа не классическая, черт возьми, и если вы хотите смоделировать Природу, вам лучше сделать ее квантово-механической, и, черт возьми, это замечательная задача, потому что она не выглядит такой простой.

Давайте разберем эту трудность на реальном примере. На производство удобрений приходится примерно 1,2% мирового потребления энергии. В текущем процессе химического синтеза Габера-Боша используется металлический катализатор для соединения водорода с азотом при высокой температуре с образованием аммиака.

К сожалению, этот процесс потребляет много энергии. Бактерии в почве вырабатывают ферменты нитрогеназы, которые извлекают азот из воздуха и производят аммиак при нормальной температуре. Ученые уже давно изучают этот процесс фиксации азота.

Источник

Однако, несмотря на то, что наши компьютеры могут обрабатывать петабайты информации (1 000 000 ГБ), они едва ли моделируют химическое взаимодействие F-кластера фермента нитрогеназы, описанного выше. Это очень небольшая часть фермента, которая содержит только четыре атома железа и четыре атома серы. С увеличением числа атомов взаимодействия растут экспоненциально и становятся слишком сложными для классического метода. Эта проблема раскрывает фундаментальную проблему современных компьютеров: как мы можем ускорить вычисления?

Например, А.И. обучение обрабатывает огромное количество данных. Мы хотим максимально распараллелить обработку данных. Для приведенного ниже двухъядерного процессора мы можем обрабатывать две задачи одновременно. Но даже с 8-ядерным процессором этого далеко не достаточно для решения многих задач ИИ.

Планирование задач на двухъядерном ЦП

Следовательно, А.И. модели обучаются на графических процессорах (например, видеокарте компьютера). Для высокопроизводительного графического процессора имеется более 4 000 ядер, которые могут одновременно распараллеливать одни и те же конвейеры операций над 4 000 + данными.

Источник: Nvidia

Но у этой стратегии все еще есть существенное ограничение. Для многих реальных задач сложность растет экспоненциально (а не линейно) с количеством входных данных.

Это причина проблемы масштабируемости в примере с удобрениями.

Если для решения проблемы требуется экспоненциальный объем данных, это плохо. Потому что для манипулирования ими может потребоваться экспоненциальное количество операций.

Как выразился Фейнман:

Если удвоение объема пространства и времени означает, что мне понадобится экспоненциально больший компьютер, я считаю это нарушением правил.

Распараллеливание данных увеличивает производительность линейно, поэтому это не панацея от проблем с экспоненциальной сложностью. Нам нужны новые концепции, чтобы разрушить проклятие.

Что предлагают квантовые компьютеры? Короче говоря, запутанность и интерференция — это два квантовых явления, интегрированных в ДНК природы. Квантовые компьютеры предлагают их очень дешево. Мы также можем кодировать экспоненциальное количество информации о кубитах, используя суперпозицию, и манипулировать суперпозицией параллельно, а не отдельными данными за раз. Этот квантовый параллелизм позволяет нам решать некоторые задачи экспоненциально быстрее, чем существующие классические алгоритмы. Что еще более важно, применение квантовых компьютеров не ограничивается задачами квантовой динамики. Он предлагает решения в областях, которые когда-то считались слишком сложными. Например, алгоритм Шора предназначен для взлома шифрования, обычно используемого в Интернете, и считается одним из основных кандидатов на демонстрацию квантового превосходства над классическими вычислениями.

Для предварительного просмотра, 64-кубитная система содержит

коэффициентов, которые мы уже можем кодировать и манипулировать информацией. Квантовый параллелизм позволяет нам манипулировать ими всеми одновременно, обеспечивая параллельные вычисления. Звучит волшебно, но, к сожалению, природа предоставляет лежачий полицейский. Мы не можем получить доступ к этим коэффициентам напрямую. Мы получаем доступ к информации через измерения. Однако он возвращает свернутое состояние, но не коэффициент. Это чрезвычайно усложняет разработку эффективных алгоритмов.

3-кубитная система

Чтобы понять это глубже, нам нужно знать некоторые базовые знания квантовой механики.

Не стесняйтесь просматривать этот раздел с любой скоростью. Но понять противоречащую интуиции квантовую механику — это весело.

Многие частицы и атомы обладают магнитным поведением и могут отклоняться под действием магнитного поля. Например, если мы выстрелим атомами водорода между двумя магнитами, его траектория изменится.

Источник: Википедия

В приведенном ниже примере мы стреляем частицами в сторону экрана.

Если мы считаем, что спин ведет себя как магнит, наблюдая за траекторией и ее отклонением, мы можем определить спин частиц, как показано стрелкой внутри круга ниже.

Но вращение не магнит! Если это магнит, то атомы должны попадать в разные точки экрана в зависимости от вращения. Вместо этого частицы приземляются только в двух основных зонах.

(Обратите внимание, экспериментальные настройки и объяснение были упрощены для облегчения демонстрации.)

Спин имеет квантовое поведение. Траектория идет либо вверх, либо вниз, но не вбок. то есть измеренный спин имеет только два квантовых состояния: либо спин вверх, либо спин вниз.

это либо восходящее вращение, либо нисходящее вращение

Давайте немного подробнее изучим свойство вращения. У нас есть два черных ящика, предназначенных для измерения вращения. В первом поле мы измеряем спин вверх. Мы поставили эксперимент таким образом, чтобы все частицы, вылетающие с правой стороны, имели спин вверх, а выходящие снизу — спин вниз. Мы загружаем частицы со спином вверх во второй ящик, чтобы снова измерить спин вверх. Как и ожидалось, 100% частиц выходят с правой стороны. Вращение вверх будет измеряться как вращение вверх.

Мы повторяем эксперимент, за исключением того, что мы поворачиваем направление магнита во втором ящике на 180°, чтобы измерить вращение вниз.

Неудивительно, что все частицы выходят на дно. Таким образом, состояния вращения вверх и вниз исключают друг друга.

Теперь ставим последний эксперимент. Во втором и четвертом прямоугольнике ниже мы поворачиваем магнит по часовой стрелке на 90°. Мы называем это измерение правильным вращением. Интересно, что эта установка преподносит много сюрпризов!

Все частицы, вылетевшие из первой коробки, имеют спин вверх. Итак, каковы измерения вращения для ящика 2? Экспериментальный ответ: половина частиц выходит вправо, а половина частиц уходит вниз. Это отличается от того, что предсказывают классические магниты. В классической механике ни у одного из них не должно быть правильного вращения. Второй сюрприз – половина частиц выходит справа, а половина снова выходит снизу в четвертом ящике. Но можем ли мы уже отфильтровать все частицы с направленным вниз вращением в ячейке 1? Так почему же мы обнаруживаем, что половина из них вращается вниз?

Старайтесь не применять интуицию, чтобы объяснить это. Интуиция развивается на основе прошлого опыта, и большинство людей никогда раньше не наблюдали объекты в квантовом масштабе.

Итак, давайте начнем с теории заговора о происходящем. Илон Маск считает, что мы живем в симуляционном мире. Итак, начнем с этого понятия. Мы живем в компьютерном мире. Все объекты создаются по запросу. То есть компьютер визуализирует объект, только если мы его наблюдаем. Выходя из дома, вы видите мужчину на улице. Компьютер вытягивает лист возможных вариантов с соответствующими вероятностями. Например, есть вероятность 15%, что у мужчины будут зеленые глаза, и вероятность 35%, что у него карие глаза и т. д. Итак, когда вы смотрите на его лицо, компьютер бросает кости и определяет, что он в конечном итоге отображает в соответствии с к кубикам.

Но давайте послушаем какое-нибудь научное мнение, а именно Копенгагенскую интерпретацию. Приведу прямую цитату из Википедии.

Согласно Копенгагенской интерпретации, физические системы обычно не обладают определенными свойствами до того, как они будут измерены, и квантовая механика может только предсказать вероятность того, что измерения дадут определенные результаты. Акт измерения воздействует на систему, вызывая сокращение набора вероятностей только до одного из возможных значений сразу после измерения.

Исходя из этой интерпретации, некоторые люди объясняют это так, как будто частица живет в частном мире, к которому у нас нет доступа. Частица находится в суперпозиции , которая представляет собой линейную комбинацию обоих.

Но когда вращение будет измерено, природа примет решение и установит свое состояние на вращение вверх или вниз в соответствии со значением амплитуды α . Таким образом, измерения меняют состояния. В классической механике наше наблюдение должно быть достаточно мягким, чтобы оно не влияло на состояние частицы. В квантовой механике измерения сводят суперпозицию к одному из возможных наблюдаемых состояний. Это правило квантовой динамики. Естественно, вы можете спросить, почему у нас такое правило. Мой личный ответ заключается в том, что это либо жестко запрограммировано как фундаментальное правило в природе (бесспорно), либо существуют более глубокие физические законы, которые необходимо открыть. На самом деле существуют конкурирующие объяснения, в том числе многомировая интерпретация (также известная как параллельная вселенная). Это не научная фантастика. Он привлекает внимание известных ученых, в том числе Стивена Хокинга.

Концепция суперпозиции лежит в основе квантовой механики. Обычно объясняют, что штифт находится и вверх, и вниз одновременно. Но я буду сопротивляться этому искушению, потому что мы просто примиряем теорию с нашей интуицией. В «Людях в черном 2» Томми Джонса не волнует внутренняя работа машины для сортировки писем. Он никогда не открывает ее, но машина служит ему хорошо.

У нас пока нет ключа, чтобы раскрыть всю квантовую тайну. Вполне возможно, что природа запечатала дверь и недоступна снаружи. Или ждем, пока другой умный ученый даст нам ключ. Но это никогда не останавливает Томми Джонса от использования сортировщика для обработки писем. Поэтому наша цель — разработать математическую модель суперпозиции и использовать ее для разработки квантового компьютера. Но мы не делаем это в слепой вере. Математическая модель согласуется с экспериментами. Пока он хорошо моделирует коробку, я буду меньше беспокоиться о том, что именно происходит внутри.

Но прежде чем вдаваться в подробности о квантовых вычислениях, я должен кое-что сказать заранее. Мы не разрабатываем квантовый компьютер для замены классического компьютера. Для квантовых вычислений требуется новых алгоритмов. Мы не можем просто перекомпилировать существующие программы на C++.

Одно большое заблуждение состоит в том, что квантовый компьютер решит все задачи быстрее, чем классический компьютер. Это побочный продукт чрезмерной рекламы технологии. Это нереалистичное ожидание повредит нам при изучении его ограничений и уведет нас на ложный путь. Хуже того, это мешает нам раскрыть его реальный потенциал. Есть много проблем, связанных с тем, что квантовые вычисления нерентабельны или в ближайшее время они не покажут преимущества в производительности. Квантовые компьютеры и классические компьютеры будут сосуществовать и дополнять друг друга. Квантовые алгоритмы имеют свои ограничения. Например, их вряд ли обеспечит экспоненциальное ускорение для NP-полных задач — распространенный миф в квантовых вычислениях.

Источник: Лев С. Бишоп

К счастью, некоторые сложные задачи относятся к классу, называемому BQP (квантовое полиномиальное время с ограниченной ошибкой) — есть хороший шанс найти решение за полиномиальное время, но нет никакой гарантии. Факторизация, самая важная часть взлома шифрования RSA, принадлежит BQP. Таким образом, успех квантовых вычислений, вероятно, зависит от того, что еще может принадлежать BQP.

Классические компьютеры также составляют серьезную конкуренцию квантовым компьютерам. Мы знаем, что у квантовых вычислений большой потенциал, но у нас нет глубокого понимания того, что они предлагают, чего не могут сделать классические вычисления. Ученые учатся на квантовых алгоритмах и внедряют математические методы для улучшения классических алгоритмов. На самом деле можно доказать, что если состояние запутанности не генерируется, классические алгоритмы могут быть столь же эффективными, как и квантовые алгоритмы. Но мы не знаем, почему запутанность так важна, и поэтому пока не можем раскрыть весь ее потенциал. Пока мы не создали квантовый компьютер с достаточным количеством кубитов, чтобы превзойти классические компьютеры.

Мы раскрываем мотивы квантовых компьютеров и представляем некоторые действия, которые нам непонятны. Чтобы смотреть дальше, нам нужно больше понять суперпозицию и кубиты. Мы разработаем на нем немного математики, но это будет на удивление просто, как только вы познакомитесь с обозначениями. Фактически, многие люди находят его настолько элегантным, что он обеспечивает более простой способ понять все эти неинтуитивные способы поведения.

QC — Что такое кубиты в квантовых вычислениях?

Кубиты — основной компонент квантовых вычислений. С помощью суперпозиции мы можем закодировать экспоненциальное количество…

medium.com

Вот индекс для всей серии:

QC — Серия квантовых вычислений

Эта серия охватывает основы квантовых вычислений.

В первых двух статьях рассказывается об основах, а затем о том, как это делается…

medium.com

Квантовая физика

Квантовая физика постоянная Планка :

В начале исследования того, из чего состоят атомы, физик по имени Планк заметил логическую закономерность. задача о строении атома. Планк заметил фатальную ошибку в нашей физике, продемонстрировав, что электрон в орбита вокруг ядра ускоряется. Ускорение означает изменение электрического поля (электрон имеет заряд), когда это означает, что должны испускаться фотоны. Но тогда электрон потеряет энергию и упадет на ядро. Следовательно, атомы не должны существует!

Чтобы решить эту проблему, Планк сделал дикое предположение, что энергия субатомном уровне, может передаваться только небольшими единицами, называемыми квантами. Из-за его интуиции, мы называем эту единицу постоянной Планка (h). Слово квант происходит от количества и относится к небольшому пакету действий или процессов, наименьшей единице любого которые можно связать с одним событием в микроскопическом мире.

Изменения энергии, такие как переход электрона из одного орбиты к другой вокруг ядра атома, делается в дискретном кванты. Кванты не делятся. Термин «квантовый скачок» относится к резкий переход с одного дискретного энергетического уровня на другой, нет плавного перехода. Нет никакого «между».

Квантование, или «прыгучесть» действия, изображенное в квантовом физика резко отличается от классической физики, которая представляла движение как плавное, непрерывное изменение. Квантование ограничивает энергию, которая должна быть передана фотонов и решает проблему ультрафиолетовой катастрофы.

---

Корпускулярно-волновой дуализм :

Волнообразная природа света объясняет большинство его свойств:

• отражение/преломление
  
• дифракция/интерференция
  
• Эффект Доплера

Но результаты спектроскопии (спектры излучения и поглощения) может быть объяснено только в том случае, если свет имеет корпускулярную природу, как показано атомом Бора. и фотонное описание света.

Этот дуализм природы света лучше всего демонстрирует фотоэлектрический эффект, где слабый ультрафиолетовый свет создает ток (высвобождает электроны), но сильный красный свет не высвобождает электроны, каким бы интенсивным ни был красный свет.

Эйнштейн объяснил, что свет существует в состоянии, подобном частице, в виде пакетов энергии (квантов) называются фотонами. Фотоэффект возникает из-за того, что пакеты энергия, переносимая каждым отдельным красным фотоном, слишком слаба, чтобы сбить электроны от атомов, независимо от того, сколько красных фотонов вы излучали на катод. Но каждый из отдельных ультрафиолетовых фотонов был достаточно силен, чтобы высвободить электрон и вызвать протекание тока.

Это одна из странных, но фундаментальных концепций современной физики, которая свет имеет состояние как волны, так и частицы (но не одновременно), что называется дуализмом волна-частица.

---

Бор Атом :

Возможно, самым выдающимся ученым 20-го века был Нильс Бор, первым применил квантовую идею Планка к проблемам атомной физики. В В начале 1900-х годов Бор предложил квантово-механическое описание атома, чтобы заменить раннюю модель Резерфорда.

Модель Бора в основном заданные дискретные орбиты для электрона, кратные постоянной Планка, вместо того, чтобы допускать континуум энергий, как это допускается классическим физика.

Сила модели Бора заключалась в ее способности предсказывать спектры света, излучаемого атомами. В частности, его способность объяснять спектральные линии атомов как поглощение и испускание фотонов электронами в квантованных орбиты.

Наше нынешнее понимание строения атома было формализовано Гейзенберг и Шредингер в середине 1920-х, где дискретность разрешенные энергетические состояния возникают из более общих аспектов, а не накладывается, как в модели Бора. Квант Гейзенберга/Шредингера механика имеет последовательные фундаментальные принципы, такие как волновая характер материи и учет принципа неопределенности.

В принципе вся атомная и молекулярная физика, включая строение атомов и их динамики, периодической таблицы элементов и их химическое поведение, а также спектроскопические, электрические и другие физические свойства атомов и молекул, могут быть объясняется квантовой механикой => фундаментальная наука.

---

Волны Материи де Бройля :

Возможно, один из ключевых вопросов, когда Бор предложил свои квантованные орбиты как объяснение УФ-катастрофы и спектральных линий, почему электрон следует квантованным орбитам? Ответ на этот вопрос прибыл из к.т.н. диссертация Луи де Бройля в 1923 году. де Бройль утверждал, что, поскольку свет может проявлять свойства волны и частицы, то возможно, материя также может быть частицей и волной.

Один из способов думать о волне материи (или фотоне) — думать о волновом пакете. Нормальные волны выглядят так:

не имеющий ни начала, ни конца. Композиция из нескольких волн разных длина волны может создать волновой пакет, который выглядит следующим образом:

Таким образом, фотон или свободно движущийся электрон можно рассматривать как волновой пакет, имеющий как волнообразные свойства, а также единственное положение и размер, которые мы связываем с частица. Есть небольшие проблемы, например, волновой пакет не останавливаться на конечном расстоянии от своей вершины, она также продолжается для всех и каждого. Делает это означает, что электрон существует во всех местах своей траектории?

де Бройль также вывел простую формулу, согласно которой длина волны частицы материи связано с импульсом частицы. Так что энергия тоже связана с волной свойство материи.

Наконец, волновая природа электрона дает элегантное объяснение квантованные орбиты вокруг атома. Представьте, как выглядит волна на орбите, как показано ниже.

Волна электронной материи и конечна, и безгранична (вспомните 1-ю лекцию о математика). Но только определенные длины волн будут “вписываться” в орбиту. Если длина волны длиннее или короче, то концы не соединяются. Таким образом, де Бройль объясняет атома в том, что на определенных орбитах он может существовать, чтобы соответствовать естественной длине волны электрон. Если электрон в каком-то смысле является волной, то для того, чтобы соответствовать на орбиту вокруг ядра размер орбиты должен соответствовать целое число длин волн.

Обратите также внимание, что это означает, что электрон не существует в одном месте. на своей орбите имеет волновую природу и существует во всех местах разрешенной орбита. Таким образом, физик говорит о разрешенных орбитах и ​​разрешенных переходах производить определенные фотоны (составляющие отпечатки пальцев спектральные линии). Атом Бора действительно выглядит следующим образом схема:

В то время как волны де Бройля было трудно принять после столетий размышлений о частицы — это твердые тела с определенным размером и положением, электронные волны были подтверждено в лаборатории путем пропускания электронных лучей через щели и что свидетельствует о формировании интерференционных картин.

Как идея де Бройля вписывается в макроскопический мир? Длина волны уменьшается пропорционально импульсу тела. Так чем больше масса вовлеченного объекта, тем короче волны. Длина волны человека, например, составляет всего одну миллионную сантиметра, что намного короче надо мерить. Вот почему люди не «туннелируют» сквозь стулья. когда они садятся.

---

Молодой эксперимент с двумя щелями :

Волновые свойства света были продемонстрированы знаменитым эксперимент, впервые проведенный Томасом Янгом в начале девятнадцатого века. век. В оригинальном эксперименте точечный источник света освещает два узкие соседние щели в экране и изображение проходящего света через щели наблюдается на втором экране.

нажмите здесь, чтобы увидеть эксперимент с волной Темные и светлые области называются интерференционными полосами. конструктивная и деструктивная интерференция световых волн. Итак, вопрос Это будет иметь значение и для создания интерференционных картин. Ответ – да, проверяется с помощью потока электронов.

Однако обратите внимание, что электроны действуют как частицы, как и фотоны. За Например, они наносят одиночный удар по экрану электронно-лучевой трубки. Итак, если мы снизить количество электронов в пучке, скажем, до одного в секунду. Делает интерференционная картина исчезнет?

Ответ — нет, мы видим отдельные электроны (и фотоны) ударяют по экрану, и со временем интерференционная картина выстраивается. Обратите внимание, что при такой низкой скорости каждый фотон (или электрон) не взаимодействует с другими фотонами, создавая интерференционную картину. В на самом деле фотоны взаимодействуют сами с собой, внутри своей собственной волны пакеты для создания помех.

Но подождите, а что, если мы будем делать это так медленно, что только один электрон или один фотон проходит через щели за раз, то что чему мешает? т.е. нет двух волн деструктивной и конструктивной вмешиваться. Каким-то странным образом оказывается, что каждый фотон или электрон мешает себе. Что его волновая природа мешает его собственная волна (!).

Для формирования интерференционной картины необходимо существование двух щели, но как одиночный фотон, проходящий через одну щель, может “знать” о существование другой щели? Мы застряли, возвращаясь к мыслям о каждый фотон как волна, попадающая в обе щели. Или мы должны думать о фотон как расщепляющийся и проходящий через каждую щель отдельно (но как фотон знает, что идет пара щелей?). Единственное решение состоит в том, чтобы отказаться от идеи фотона или электрона, обладающих расположение. Местоположение субатомной частицы не определено до тех пор, пока оно не наблюдается (например, удар по экрану).

---

Роль Наблюдателя :

Квантовый мир можно воспринимать не напрямую, а через использование инструментов. А, значит, есть проблема с тем, что акт измерения нарушает энергию и положение субатомных частиц. Это называется проблемой измерения.

Таким образом, мы начинаем видеть сильную связь свойств квантового объект и акт измерения этих свойств. Вопрос о реальность квантовых свойств остается нерешенной. Все квантово-механические принципы должны сводиться к ньютоновским принципам на макроскопическом уровне (есть преемственность между квантовой и ньютоновской механикой).

Как роль наблюдателя влияет на волновую и корпускулярную природу квантовый мир? Один тест состоит в том, чтобы вернуться к эксперименту с двумя щелями и попытайтесь определить, через какую щель проходит фотон. Если фотон является частицей, то она должна пройти через одну или другую щель. Делает этот эксперимент приводит к исчезновению интерференционной картины. Волна природа света устраняется, остается только природа частиц и частицы не могут создавать интерференционные картины. Ясно, что эксперименты с двумя щелями впервые в физике указывают на что существует гораздо более глубокая связь между наблюдателем и явление, по крайней мере, на субатомном уровне. Это экстремальный перерыв из идеи объективной реальности или такой, в которой законы природы имеют особое, платоническое существование.

Если физик ищет частицу (использует детекторы частиц), то частица найдена. Если физик ищет волну (использует волну детектор), то обнаруживается волновая картина. Квантовая сущность имеет двойное потенциальная природа, но его актуальная (наблюдаемая) природа одна или другой.

---

Квантовая волновая функция :

Волновая природа микроскопического мира делает понятие “положения” трудно для субатомных частиц. Даже волновой пакет имеет некоторую “размытость” связанные с ним. Электрон на орбите не имеет места, о котором можно было бы говорить, кроме находится где-то на его орбите.

Для решения этой проблемы квантовая физика разработала инструмент квантовая волновая функция как математическое описание суперпозиций, связанных с квантовым сущности в любой конкретный момент.

Ключевым моментом волновой функции является то, что положение частицы зависит только от выражается как правдоподобие или вероятность до тех пор, пока не будет произведено измерение. За например, попадание фотона в электрон приводит к измерению положения, и мы говорят, что волновая функция “схлопнулась” (т.е. волновая природа электрона преобразована в частицу).

---

Суперпозиция :

Тот факт, что квантовые системы, такие как электроны и протоны, неопределенные аспекты означают, что они существуют как возможности, а не актуальность. Это дает им свойство быть вещами, которые могли бы быть или может произойти, а не то, что есть. это в резком В отличие от ньютоновской физики, где вещи есть или их нет, существует отсутствие неопределенности, кроме тех, которые вызваны плохими данными или ограничениями данных собирательное оборудование.

Дальнейшие эксперименты показали, что реальность на квантовом (микроскопическом) уровне уровень состоит из двух видов реальности, актуальной и потенциальной. действительность — это то, что мы получаем, когда видим или измеряем квантовую сущность, потенциал – это состояние, в котором объект находился до того, как измерено. В результате квантовая сущность (фотон, электрон, нейтрон и т. д.) существует во множестве возможностей реальностей, известных как суперпозиции.

Суперпозиция возможных положений электрона может быть продемонстрировано наблюдаемым явлением, называемым квантовым туннелированием.

Обратите внимание, что единственное объяснение квантового туннелирования состоит в том, что положение электрона действительно рассредоточено, а не просто скрыто или не измерено. Это сырое неопределенность позволяет волновой функции преодолевать барьер. Этот является подлинным индетерминизмом, а не просто неизвестной величиной, пока кто-нибудь измеряет это.

Важно отметить, что только суперпозиция возможностей происходит до того, как сущность будет замечена. После того, как наблюдение сделано (т. измеряется положение, определяется масса, определяется скорость), то суперпозиция превращается в фактическую. Или, говоря на квантовом языке, мы говорим волновая функция схлопнулась.

Коллапс волновой функции при наблюдении — это переход от многого к единому, от возможности к действительности. Личность и существование квантовых объектов связаны с его общим среды (это называется контекстуализм). Подобно омонимам, слова, зависит от контекста, в котором они используются, сдвиги квантовой реальности его природа в соответствии с его окружением.

В макроскопическом мире, которым правит классическая физика, вещи таковы, что они есть. В микроскопическом мире, где правит квантовая физика, представляет собой экзистенциальный диалог между частицей, ее окружением и человек, изучающий его.

---

Интерфейс макроскопического/микроскопического мира :

Макроскопический мир является ньютоновским и детерминированным для локальных событий. (обратите внимание, однако, что даже макроскопический мир страдает от хаоса). С другой стороны, радикальная неопределенность микроскопического квантового мира ограничивает любую уверенность вокруг развертывания физических событий. Многие вещи в Ньютоновский мир непредсказуем, поскольку мы никогда не сможем получить все факторы, воздействующие на физическую систему. Но квантовая теория — это гораздо больше. тревогу в том, что события часто происходят без причины (например, радиоактивные разлагаться).

Заметим, что неопределенность микроскопического мира мало влияет на макроскопические объекты. Это связано с тем, что волновая функция при больших объекты чрезвычайно малы по сравнению с размером макроскопического мира. Ваша личная волновая функция намного меньше любой измеряемой в настоящее время размеры. И неопределенность квантового мира не является полной, потому что волновой функции можно присвоить вероятности.

Но, как показывает нам парадокс кота Шредингера, вероятностные правила микроскопический мир может просочиться в макроскопический мир. Парадокс Кот Шрёдингера вызвал бурную дискуссию среди теоретиков. физиков и философов. Хотя некоторые мыслители утверждали, что кошка на самом деле существует в двух наложенных состояниях, большинство утверждает, что суперпозиция возникает только тогда, когда квантовая система изолирована от остальных его окружения. Различные объяснения были выдвинуты для объяснения этот парадокс, включая идею о том, что кошка или просто животное физическая среда (например, фотоны в ящике) может действовать как наблюдатель.

Вопрос в том, в какой точке или масштабе действуют вероятностные правила квантовая сфера уступает место детерминистическим законам, управляющим макроскопический мир? Этот вопрос получил яркое освещение благодаря недавняя работа, в которой группа NIST заключила заряженный атом бериллия в крошечную электромагнитную клетку, а затем охладил ее с помощью лазера до минимума. энергетическое состояние. В этом состоянии положение атома и его «спин» (а квантовое свойство, которое лишь метафорически аналогично спину в обычном смысле) может быть установлено с очень высокой точностью. точность, ограниченная принципом неопределенности Гейзенберга.

Затем рабочие стимулировали атом лазером ровно настолько, чтобы изменить его волновая функция; согласно новой волновой функции атома, теперь имел 50-процентную вероятность находиться в состоянии «раскрутки» в своем начальном позицию и равную вероятность оказаться в состоянии “спин вниз” в положение на расстоянии до 80 нанометров, что действительно является огромным расстоянием для атомное царство. Фактически атом находился в двух разных местах, а также два разных спиновых состояния одновременно — атомный аналог кошки как живые, так и мертвые.

Убедительные доказательства того, что исследователи NIST достигли своей цели пришли из их наблюдения за интерференционной картиной; это явление явный признак того, что один атом бериллия произвел две отдельные волны функции, которые мешали друг другу.

---

Гипотеза многих миров :

Многие возможности, которые несут квантовые суперпозиции, рассредоточены. над пространством и временем. Однако ньютоновская физика является точным описание обычного опыта. Какая связь между странный квантовый мир и классический мир здравого смысла? Ясно, что разница возникает, когда мы измеряем или наблюдаем квант система. Каким бы ни был процесс, он происходит в это время. «Как и почему» этого процесса остается нерешенным, и многие считают, что современная физика неполным, пока не будет решен.

К 1950-м годам непрекращающийся парад успехов ясно показал, что что квантовая теория была чем-то большим, чем недолговечным временным решением. Так что, В середине 1950-х аспирант Принстона по имени Хью Эверетт III решил пересмотреть постулат коллапса в своей докторской диссертации. Тезис. Идея Эверетта известна как интерпретация относительного состояния, многих историй или многих вселенных или метатеория квантовой теории. Доктор Хью Эверетт, III, его создатель, называл это «метатеория относительного состояния» или «теория универсальной волновой функции», но обычно его называют «многомировым».

Многие миры — это переформулировка квантовой теории, которая рассматривает процесс наблюдения или измерения полностью в рамках волновой механики квантового теории, а не в качестве дополнительного предположения, как в Копенгагенской интерпретация. Эверетт считал волновую функцию реальным объектом. Многие миры является возвращением к классическому доквантовому взгляду на Вселенную, в котором все математические сущности физической теории реальны. Например электромагнитные поля Джеймса Кларка Максвелла или атомы Дальтона были считаются реальными объектами в классической физике. Эверетт рассматривает волновую функцию аналогичным образом. Эверетт также предположил, что волновая функция подчиняется то же волновое уравнение во время наблюдения или измерения, что и во все другие моменты времени. Это центральное допущение многих миров: волновое уравнение подчинялись повсеместно и во все времена.

Квантовые системы, как и частицы, при взаимодействии становятся запутанными. Если один из системы – это наблюдатель, а взаимодействие – наблюдение, то эффект наблюдения состоит в том, чтобы разбить наблюдателя на несколько копий, каждая копировать, наблюдая только один из возможных результатов измерения и не зная других результатов и всех его копий-наблюдателей. Взаимодействие между систем и их окружения, включая связь между различными наблюдателям в одном и том же мире, передает корреляции, которые вызывают локальные расщепление или декогеренция на не мешающие друг другу ветви универсального волновая функция. Таким образом, весь мир довольно быстро раскололся на множество взаимоненаблюдаемые, но в равной степени реальные миры.

Согласно множеству миров, все возможные результаты квантового взаимодействия реализуются. Волновая функция вместо коллапса в момент наблюдения, продолжает развиваться детерминированным образом, охватывая все заложенные в нем возможности.