Квантовая механика коммутатор: Страница не найдена – Бесплатная электронная библиотека онлайн “Единое окно к образовательным ресурсам”

Содержание

Коммутатор операторов – это… Что такое Коммутатор операторов?

Коммутатором операторов и в алгебре, а также квантовой механике называется оператор . В общем случае он не равен нулю. Понятие коммутатора распространяется также на произвольные ассоциативные алгебры (не обязательно операторные). В квантовой механике за коммутатором операторов также закрепилось название квантовая скобка Пуассона.

Если коммутатор двух операторов равен нулю, то они называются коммутирующими, иначе — некоммутирующими.

Тождества с коммутатором

В ассоциативной алгебре верны также следующие тождества:

Коммутатор в квантовой механике

Как известно, физическое измерение в квантовой механике соответствует действию оператора физической величины на вектор состояния системы. Так называемые чистые состояния, в которых физическая величина имеет строго определённое значение, соответствуют собственным векторам , при этом значение величины в данном состоянии — это собственное число вектора чистого состояния:

Если две квантовомеханические величины одновременно измеримы, то в чистых состояниях они обе будут иметь определённое значение, то есть множества собственных векторов операторов величин совпадают.

Но тогда они будут коммутировать:

Соответственно, некоммутирующие операторы соответствуют физическим величинам, не имеющим одновременно определённого значения. Типичный пример — операторы импульса (компоненты импульса) и соответствующей координаты (см. соотношение неопределённостей).

Законы сохранения

Собственные значения гамильтониана квантовой системы — это значения энергии в стационарных состояниях. Очевидным следствием вышеизложенного является то, что физическая величина, оператор которой коммутирует с гамильтонианом, может быть измерена одновременно с энергией системы. Однако, в квантовой механике энергия приобретает особую роль. Из уравнения Шрёдингера

и определения полной производной оператора по времени

можно получить выражение для полной производной по времени от физической величины, а именно:

Следовательно, если оператор физической величины коммутирует с гамильтонианом, то эта величина не изменяется с течением времени. Это соотношение является квантовым аналогом тождества

из классической механики, где {,} — скобка Пуассона функций. Аналогично классическому случаю, оно выражает наличие у системы определённых симметрий, порождающих интегралы движения. Именно свойство сохранения при определённых симметриях пространства кладётся в основу определения многих квантовых аналогов классических величин, например, импульс определяется как величина, сохраняющаяся при всех трансляциях системы, а момент импульса определяется как величина, сохраняющаяся при вращениях.

Некоторые соотношения коммутации

Укажем значения некоторых часто встречающихся коммутаторов.

 — оператор i-ой компоненты, соответственно, радиус-вектора, импульса и момента импульса;  — дельта Кронекера;  — абсолютно антисимметричный псевдотензор 3-го ранга.

Как правило, необходимы соотношения для нормированного момента:

Из этих соотношений видно, что момент импульса частицы не измерим одновременно с её координатами или импульсом. Более того, за исключением случая, когда момент равен нулю, различные его компоненты не измеримы одновременно. Этим момент импульса принципиально отличается от импульса и радиус-вектора, у которых все три компоненты могут быть одновременно определены. Для момента импульса можно измерить лишь его проекцию на некоторую ось (обычно

z) и квадрат его длины.

Алгебра Ли физических величин

Коммутатор является квантовым аналогом скобки Пуассона в классической механике. Операция коммутатора вводит на операторах (или элементах алгебры) структуру алгебры Ли, поэтому антикоммутативное умножение в алгебре Ли также называют коммутатором.

Некоммутирующие величины

Некоммутирующими величинами A и B называются величины, коммутатор которых .

Две физические величины одновременно измеримы тогда и только тогда когда их операторы коммутируют[1].

Литература

См. также

Примечания

Коммутатор операторов – Справочник химика 21

    Для коммутатора операторов координаты и импульса как раз имеем, как нетрудно убедиться с помощью простых выкладок, следующее Рл = -/Й Таким образом, коммутатор не равен нулю Значит одновременные измерения импульса и координаты микрочастицы с достаточно высокой точностью, в принципе, невозможны 
[c. 82]

    Разность АВ — BA = А, В называется коммутатором операторов А и В. [c.14]

    Этот коммутатор совпадает с коммутатором операторов М,- и Щ, если в нем заменить М на J. [c.75]


    Этого можно добиться с известным изяществом и быстротой, если заметить, что коммутатор оператора к с любым оператором F равен 
[c.361]

    Рассмотрим функцию (аР/) — (Ра/), которая может быть представлена в виде (ар — Ра)/. Тогда (ар — Ра) является оператором, называемым коммутатором пары а и р. Если два оператора коммутируют, их коммутатором является умножение на нуль . Коммутатором операторов извлечь квадратный корень и умножить на 4 будет У 4 — 4]/ = —2 - [c.12]

    Здесь [Л, В] = Л В — ВЛ обозначает коммутатор операторов Л и В равенства (3.81) следует понимать как равенство на векторах ( п (Я). [c.299]

    Оператор [АВ — ЙА] называется коммутатором и обозначается символом [А, В].

[c.47]

    Точно измерить значения двух физических величин в данной системе можно лишь при условии, что отвечающие им операторы коммутируют. Для некоммутирующих операторов коммутатор дает меру произведения неточностей при одновременном измерении этот результат теории обосновывает принцип неопределенности Гейзенберга. [c.58]

    Коммутатор дву.х операторов Лоп н Son записывается как [/4оп, Вон] [c.472]

    Отметим, что коммутатор, поделенный на гй, часто называют квантовой скобкой Пуассона для операторов А и В). Если коммутатор С равен нулю, то говорят, что операторы А у В коммутируют. Очевидно, произведение двух эрмитовых операторов также будет эрмитовым оператором только в том случае, когда эти операторы коммутируют. 

[c.45]

    Среднее значение коммутатора двух эрмитовых операторов А и В на функции, собственной для одного из этих операторов, скажем А, равно нулю = – = а В Ч) > –а> = 0. Поэтому, если функция Ф – собственная для Н, то из (9) следует [c.471]

    Как указывалось, операторы, отвечающие таким двум величинам, должны иметь не равный нулю коммутатор [c.82]

    Спектральные плотности Jq (Jp ) на частотах переходов (разрешенных и запрещенных) являются коэффициентами при двойных коммутаторах, в которые входят соответствующие операторы компонент гамильтониана взаимодействия 

[c.78]

    Входящий в (89,10) оператор плотности электрического заряда МОЖНО записать в сокращенном виде с помощью коммутатора [c.430]

    Входящий в эту формулу оператор а 2 определяется как коммутатор Н1 + Н2 и VI2. Как нетрудно показать, эквивалентное выражение для Й 2 имеет вид [c.97]

    Возможность различных ориентаций спина учитывается просто путем удвоения набора, отвечающего условиям (43). Коммутаторы кинетической и потенциальной энергии с операторами (41) равны соответственно [c.

291]

    Если коммутатор С двух операторов L и М равен пулю, значит ли это, что величины L и Л1 в любом состоянии не дают разброса значений  [c.69]

    Последнюю формулу удобнее получить, если подействовать операторами на функцию f (х, у, г) или использовать сведения о коммутаторах х, р, х, Ру и т. д. Если для второго коммутатора формулу вы не нашли, посмотрите решение на с. 67. [c.208]

    Эти операторы не коммутируют, в чем легко убедиться, если при помощи уравнений (104), (105) и (106) составить коммутаторы  [c.59]


    Оператор [АВ — ВА”] называется коммутатором и обозначается символом [А, 
[c.50]

    Специальная телефонная диспетчерская связь осуществляется при помощи диспетчерских коммутаторов различных типов, рассчитанных на 20, 40, 60, 70 и более (до 100) абонентских точек. Она позволяет диспетчеру и оператору вести одновременные переговоры со многими абонентами, проводить диспетчерские совещания, во время которых все его участники остаются на своих рабочих местах, вести циркулярную передачу сообщений, т. е. передавать их одновременно в несколько мест, использовать для работы как микрофонную трубку, так и настольный микрофон с репродуктором. 

[c.235]

    Ж. Следствие VII. Предположим, что а и Ь — некоторые свойства, операторы которых а и Р не коммутируют на величину у ( коммутатор а и р, см. стр. 11), т. е. [c.130]

    Очередность вызова произвольная и определяется технологом-оператором. При вызове контролируемой точки четыре нормально-замкнутые клапана открываются, коммутируя сигналы П, Н, КМ, ДУ в коллектора модуля (КП, КН, КИМ, КДУ). Одновременно на выходе коммутатора мох ут быть скоммутированы сигналы, характеризующие только одну точку. Результат оперативного вызова после снятия командного сигнала запоминается на выходе модуля, т.е. на приборной головке с абсолютными ожалами 4. [c.31]

    Как и в теории возмущений, не зависящих от времени, в конечном счете необходимо вычислить ожидаемое значение оператора возмущения между двумя интересующими нас состояниями. Хотя для вычисления вероятностей переходов иногда используется оператор скорости, чаще возмущение преобразуют к виду, включающему вместо скорости координаты. С этой целью следует воспользоваться коммутационными соотношениями для квантовомеханических операторов. Эти соотношения, в шредингеровском представлении квантовой механики, имеют такой же вид, как для соответствующих матриц в гейзенберговском представлении. В частности, соотношение (1.32) связывает производную по времени от какого-нибудь свойства с коммутатором этого свойства и гамильтониана. Переписав указанное соотношение в операторной форме и используя в нем не зависящий от времени гамильтониан, получим [c.123]

    Проведя последовательные преобразования (П. 17) с учетом выражения для коммутатора р , А и того, что дАх/дх- -дАу1ду + + дАг/дг = (11у А, получим оператор Гамильтона в развернутом виде  [c.45]

    Схемой предусматривался сброс содержимого выходных регистров при пуске и останов , что является нежелательным. Это объясняется следующим. При различных блокированных остановах, предусмотренных программой, и остановах, производимых оператором, необходимо, чтобы исполнительные механизмы оставались в состоянии, соответствую яем последнему значению величины управляющего воздействия. В противном случае произойдет нарушение технологического режима. В результате устранения этого недостать ка изменение содержимого выходного регистра происходит только по команде выдачи управлящего воздействия по выбранному контуру регулирования (КО-11). Команда выхода (КО-11) в машине УМ1-НХ выполннется только с помощью потенциалов, содержимое сумматора передается через коммутатор на соответствующий адресной части команды выходной регистр, которая расшифровывается потенциальным дешифратором. В дешифраторе кода операции также используется потенциальный выход. В результате неодинакового времени переходного- процесса в триггерах регистра команд происходит одновременная передача управляющего воздействия помимо выбранного регистра еще и на другие выходные регистры, имеющие адрес-меньше выбранного. Для устранения.возможности ложной передачи управляющего воздействии команда выхода (КО-И) была засинхронивирована импульсом дешифратора кода операции (КО-11), О ес1Ь передача содержимого сумматора на выходные регистры стала происходить по импульсу КО-11 после окончания переходных [c.146]


Коммутатор операторы координаты и импульса

Соотношение неопределенностей. Bbi4H jmM коммутатор операторов координаты х и импульса р. Учитывая (17.7), находим  [c.115]

Операторы A представляют собой я-кратные интегралы от (я — 1)-кратных коммутаторов операторов W t), взятых в разные моменты времени. В нек-рых случаях ряд в экспоненте (2) обрывается и оператор временной эволюции записывается в конечном виде. Так происходит, наир., в задаче об эволюции гармония. осциллятора, на к-рый действует произвольная ввеш. сила 14], ив задаче об эволюции в поле, линейном по координатам г и импульсам р произвольной квантовой системы с гамильтонианом, квадратичным по г и р [5]. М. р, используется при построении теории внезапных возмущений в процессах встряски типа рассеяния (см. Внезапных возмущений метод). В нулевом порядке по параметру мгновенности сот [c.24]


Пусть п=3, а Al — q, А р, А = I, где I — единичный оператор, а и р — операторы координаты и импульса частицы. Равенство [qp = ihi задаёт т. н. канонические П. с. для системы с одной степенью свободы. Они определяют алгебру Ли группы Гейзенберга. Из них видно, что координата и импульс не могут принимать одновременно определ. значения. Если Дд и Др — неопределенности в значениях координаты и импульса, то ДдДр А. Это — частный случай неопределенностей соотношения. Для системы с т степенями свободы, т. е. для системы, гамильтониан к-рой зависит от т операторов обобщённых координат ог т сопряжённых этим координатам импульсов pi,.,.,p i, канонич. П. с. имеют вид [д ,Р(] = ihi здесь выписаны только ненулевые коммутаторы). Вообще, переход от классического к квантовому описанию физ. системы можно трактовать как замену классических Пуассона скобок коммутаторами операторов соответствующих величин. Из канонич. П. с. следует, гго каждая пара канонич. переменных д/,р удовлетворяет соотношению неопределенностей. В представлении, в к-ром все операторы координат диагональны (т. е. в представлении, где состояние задается волновой ф-цией причём = дД ], операторы  [c.576]

Из квантовой механики известно, что квантование классического гамильтониана осуществляется заменой классических обобщенного импульса и координаты такими операторами соответствующих величин, чтобы их коммутатор равнялся ih. Только после такого квантования импульс и координата частицы становятся ненаблюдаемыми одновременно в соответствие с принципом неопределенности Гайзенберга. Коммутатор безразмерных координаты и импульса должен тогда вьп-лядеть так  [c.14]

С этой целью рассмотрим квантовую систему, динамические величины которой удов. тетворяют коммутационным соотношениям некой полупростой алгебры Ли а интегралами движения являются инвариантные относительно операторы (Казимира), построенные из ее элементов (см. п. 3, 1.5). Переходу к классической системе отвечает замена коммутаторов [fa, Рь] в на соответствующие скобки Пуассона Fa, Рь , а самой алгебры О — на функциональную группу G , элементами Ра которой являются функции Ра х р), задэнные на фазовом пространстве 2N переменных х и рр, 1 а, N (обобщенные координаты и импульсы Ха, хр = ря, Рэ =0, ра, хр =0а з). При этом скобка Пуассона определяется формулой  [c.16]

Как быть с СП других динамических переменных, не являющихся координатами и импульсами В классической теории принимается, что всякая динамическая переменная какой-либо системы есть функция ее обобщенных координат и импульсов. На пути переноса этого допущения в квантовую теорию лежит та трудность, что в ней приходится вводить в рассмотрение функции от некоммутирующих наблюдаемых. Особых вопросов не возникает, пока эти функции являются полиномами — имеющаяся алгебра операторов позволит нам выразить коммутаторы этих функций и, о,. .. через канонические коммутаторы (51), после чего мы найдем СП функций ы, о,. .. из (50), считая теперь, что СП любых динамических переменных определяются этим равенством через их коммутатор.  [c.378]


Прямые скобки с точкой между множителями означают здесь векторное произведение, а не коммутатор, в котором элементы всегда разделяются у нас запятой, а скобка снабжается индексом — . Вопрос о порядке расположения некоммутирующих операторов здесь вообще не возникает, поскольку в каждом члене векторного произведения участвуют только разные составляющие координаты и импульса), а для момента системы материальных точек — в соответствии с (8ба) сумму таких выражений  [c.437]

Можно показать, что спектр его собств. значений непрерывен, а амплитуда вероятности есть де-бройлев-ская волна ( р> — собств. вектор оператора импульса р). Если задана энергия системы Н р, х) как ф-ция координат и импульсов ч-ц, то знание коммутатора [х, р] достаточно для нахождения [Я, р], [Нг ж], а также уровней энергии как собств. значений оператора полной энергии Н.  [c.262]


Квантовая динамика – Azure Quantum

  • Чтение занимает 3 мин

В этой статье

Квантовая механика в значительной мере является исследованием квантовой динамики, которое ищет ответ на вопрос, как начальное квантовое состояние такта $\ket{\psi(0)}$ изменяется с течением времени (дополнительные сведения о нотации Дирака см. в теоретических материалах по квантовым вычислениям). В частности, учитывая это начальное условие для квантового состояния, времени изменения и спецификации квантовой динамической системы, выполняется поиск квантового состояния $\ket{\psi(t)}$. Прежде чем приступать к изучению квантовой динамики, полезно вернуться на шаг назад и подумать о классической динамике, так как это позволяет понять, что квантовая механика на самом деле не так сильно отличается от классической динамики. 2(t)/2m – V(x,t)$, то мы вернемся к приведенному выше варианту динамики Ньютона. В целом, мы получим, что \begin{align} \frac{d}{dt} f &= \partial_t f- (\partial_x H\partial_p f + \partial_p H\partial_x f)\\ &\defeq \partial_t f + \{f,H\}. \end{align} Здесь $\{f,H\}$ называется скобкой Пуассона, которая широко используется в классической динамике благодаря тому, что она играет центральную роль в описании динамики.

Для описания квантовой динамики можно воспользоваться тем же языком. Гамильтонова или общая энергия полностью описывает динамику любой закрытой квантовой системы. Однако существует ряд существенных различий между этими двумя теориями. В классической механике $x$ и $p$ являются просто числами, а в квантовой механике – нет. Их даже нельзя поменять местами без изменения результата: $xp \ne px$.

Математическая концепция, способная правильно описать эти объекты, которые нельзя поменять местами без изменения результата, — это оператор, который в случаях, когда $x$ и $p$ могут принимать только дискретный набор значений, эквивалентен концепции матрицы. 2/2m$, где $\hat{p}$ – оператор импульса. С этой точки зрения переход от классической к квантовой механике предполагает только замену переменных, используемых в классической динамике, на операторы. После создания гамильтонова оператора путем перевода обычного классического гамильтониана на язык квантовой механики мы можем выразить динамику произвольного количества в квантовой механике (например, оператор квантовой механики) $\hat{f}(t)$ via \begin{align} \frac{d}{dt} \hat{f} = \partial_t \hat{f} + [\hat{f},\hat{H}], \end{align}, где $[f,H] = fH -Hf$ называется коммутатором. Это выражение точно соответствует классическому выражению, приведенному выше, с той лишь разницей, что скобка Пуассона $\{f,H\}$ заменена на коммутатор между $f$ и $H$. Этот процесс создания классического гамильтониана и его использования для поиска квантового гамильтониана известен под неформальным названием канонического квантования.

Какие из операторов $f$ нам наиболее интересны? Ответ на этот вопрос зависит от задачи, которую нужно решить. {-iHt}$ часто называют квантовым моделированием или, в частности, динамическим квантовым моделированием.

Многомировая интерпретация в картинках или «Опять этот кот?» / Хабр

В статье я использовал:
отрывки из видео: www.youtube.com/watch?v=kTXTPe3wahc
часть с уравнением из статьи Многомировая интерпретация квантовой механики
Книгу «Гиперпространство: Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение» – Митио Каку
Книгу «Начало бесконечности» – Дэвид Дойч

Из-за того, что квантовую физику нельзя полностью наблюдать и проводить эксперименты по всем возникающим вопросам, ученые делятся на несколько лагерей относительно мироустройства вселенной. Многомировая интерпретация является одной ведущих многомировых гипотез в физике и философии, наряду с копенгагенской интерпретацией и интерпретацией согласованных хронологий.

В классической физике все просто: есть пространство и время, есть материя, находящаяся в этом пространстве, есть параметры системы (как импульс или положение), и есть законы физики, которые описывают изменение этих параметров. Если точно знать начальное состояние системы, можно предсказать ее поведение в будущем с абсолютной точностью.

В квантовой физике все не так. Тут систему описывает волновая функция. Она определяет вероятность измерить систему в определенном состоянии (например, определенную координату или импульс). До измерения нельзя сказать, что система обладает определенным моментом, она обладает только волновой функцией.

Но проблема в том, что квантовая механика не позволяет увидеть волновую функцию частицы.

Когда мы пытаемся измерить волновую функцию частицы, то она покажет нам один из вариантов, а не весь возможный градиент.

Многие, кто изучают квантовую механику, привыкли к тому, что существует два свода правил:

  1. Когда мы не смотрим, то волновая функция описывается уравнением Шредингера
  2. А когда мы пытаемся ее измерить, то эта же функция мгновенно коллапсирует

Самому Шредингеру эта идея не нравилась, что они и обсуждали с Эйнштейном в их переписке. И эксперимент с котом Шредингера появился там же.

Описание эксперимента

Идея эксперимента была в том, чтобы

связать незаметный квантовый эффект с чем-то осязаемым

, например с котом.

Мы засовываем кота в коробку. В коробке находится источник радиации, детектор распада радиоактивных частиц и газ, который выпустится, если детектор зафиксирует распад частицы.

Теория говорит, что частица имеет вероятность: распасться ей или нет. И только измерения состояния этой частицы даст нам ответ на то, распалась она или нет. Пока измерения с нашей стороны не произошло, то мы ничего не знаем о состоянии частицы.

Мы можем узнать результат только тогда, когда откроем коробку и посмотрим, умер наш кот или нет — то есть произведем измерения.

До момента измерения вся система находится в запутанном состоянии.

Хороший исход (для кота)

Атом не распадается, детектор не фиксирует распад, колба не разбивается, кот бодрствует

Плохой исход (для кота)

Атом распадается, детектор фиксирует распад, колба разбивается, кот мертв

Пока коробка закрыта, для внешнего наблюдателя кот находится в суперпозиции

В этом эксперименте состояние кота непосредственно зависит от состояния атома — то есть

атом и кот запутаны между собой

.

Но, согласно квантовой механике, атому не обязательно находиться в каком то определенном состоянии. Большую часть времени он находится в суперпозиции.

Т.е. распавшимся и нераспавшимся одновременно.

Далее, суперпозиция атома запутывается с состоянием детектора и, как следствие, кота.

Получается, что через какое то время волновая функция всего содержимого коробки оказывается в суперпозиции.

  • В одном состоянии атом не распался, пробирка с газом цела, а кот жив
  • В другом состоянии атом распался, пробирка разбилась и кот умер

Далее, если мы, как наблюдатель, откроем коробку и заглянем внутрь, то сколлапсируем волновую функцию и увидим кота живым или мертвым.

Да?

Не совсем

Классическая (копенгагенская) интерпретация говорит о том, что процесс наблюдения — это процесс коллапса волновой функции в одно из состояний. Коллапс приводит к тому, что волновая функция продолжает эволюцию только как одна часть изначальной волновой функции

(картинка 1 и 2 из начала статьи)

. Объект больше не находится в состоянии суперпозиции и, в итоге, принимает одно из своих возможных значений.

Как следствие — всякие эффекты квантовой запутанности пропадают. Эта теория не объясняет, как происходит коллапс волновой функции, равно как и почему одни взаимодействия вызывают коллапс, а другие — нет.

Многие признавали, что явление коллапса волновой функции, предложенного копенгагенской интерпретацией, является искусственным трюком и, следовательно, необходимо искать другую интерпретацию, в которой поведение при измерении трактуется с помощью более основополагающих физических принципов.

Одна из самых проработанных интерпретаций на данный момент — многомировая интерпретация

Многомировая интерпретация

Есть такой термин как квантовая запутанность. Это когда два электрона, летящих к друг другу, сталкиваются и запутываются.

И стоит нам измерить импульс одного электрона, как мы тут же узнаем импульс другого.

Измерение одного электрона заставляет моментально коллапсировать волновую функцию другого электрона, пусть даже между ними расстояние в несколько миллионов световых лет

После взаимодействия друг с другом, у электронов больше нет волновых функций, их состояние теперь можно описать одной общей функцией.

Так можно продолжать до бесконечности, и в итоге мы придем к тому, что существует лишь одна волновая функция, которая описывает состояние всей вселенной вселенной

Немного деталей

В копенгагенской интерпретации считается, что когда квантовую систему наблюдают, то она описывается одним сводом правил, а когда не наблюдают, то другим сводом правил.

Согласно этому допущению, когда Шредингер открывает коробку, он коллапсирует кота в состояние либо «жив», либо «мертв».

Если убрать это допущение из квантовой теории, то получится, что суперпозиция распавшегося и нераспавшегося атома запутывается с детектором и с самим котом.

Не стоит забывать, что люди тоже состоят из атомов. И если система запутывается с котом, то она запутывается и с нами.

Значит, согласно ММИ, Шредингер(Ш) оказывается в запутанном состоянии:

К этому уравнению нужно добавить окружение (окр):

Окружение в результате процесса декогеренции запутывается с ними обоими:


В таком варианте у Шредингера уже нет возможности «отменить» измерение или сделать что-то, чтобы «распутать» два состояния. Два мира разделились: в одном Шредингер нашел мертвого кота, в другом — живого. При этом никакого коллапса не произошло, все это — по-прежнему унитарная эволюция большой волновой функции.

Выходит, когда мы открываем коробку, то никакие изменения и коллапсирующие функции не важны, мы просто запутываемся с системой внутри коробки.

Это значит, что мы видим как систему с живым котом, так и с мертвым.
Следовательно мы перед коробкой с живым котом, и мы перед коробкой с мертвым находимся в разных мирах.

Ну, фактически, не мы, а наша копия, которая появилась при распаде вселенной на две реальности, которые теперь никогда не пересекутся.

В итоге, вселенная разделяется и возникают две, практически идентичные реальности

Это и есть главная идея многомировой интерпретации. Единственный ее постулат — вся Вселенная описывается одной волновой функцией. Нет «классического» мира, нет наблюдателей, нет коллапса — все это является унитарной эволюцией одной волновой функции под действием уравнения Шредингера. То, что мы наблюдаем как коллапс — исключительно процесс декогеренции, наша невозможность «развязать» объект и окружение, с которым он запутался.

Разные «миры» при этом возникают каждый раз, когда происходит «коллапс» — взаимодействие системы с окружением. При этом один мир делится на несколько, в соответствии с ветвями волновой функции, и эти миры больше не взаимодействуют.

Итого, все это лишь частичное решение, так как сама космическая волновая функция, описывающая всю Вселенную, не имеет определенного состояния, а состоит из всех возможных вселенных. Таким образом, проблема неопределенности, впервые открытая Гейзенбергом, теперь распространена на всю Вселенную.

Наименьшая единица, которой мы можем оперировать в этих теориях, — сама Вселенная, а наименьшая единица, которую можно квантовать, — пространство всех возможных вселенных, в которое входят и мертвые, и живые коты. Таким образом, в одной вселенной кот действительно мертв, зато в другой — жив. Однако обе вселенные находятся в одном и том же вместилище — волновой функции Вселенной.

Физики разрабатывают квантовые переключатели, которые могут активироваться одиночными фотонами

Профессор физики Михаил Лукин (слева направо) возглавил команду, состоящую из докторанта Тобиаса Тике и аспиранта Джеффа Томпсона, которые создали квантовые переключатели, которые однажды можно будет объединить в сеть через оптоволоконные кабели, чтобы сформировать основу «квантового Интернета», который “обеспечивает совершенно безопасную связь”, – сказал Лукин. Предоставлено: Крис Сниббе / штатный фотограф Гарварда.

Гарвардским исследователям удалось создать квантовые переключатели, которые можно включать и выключать с помощью одного фотона. Это технологическое достижение, которое может открыть путь для создания высоконадежных квантовых сетей.

Построенные из отдельных атомов, первые в своем роде коммутаторы однажды можно будет объединить в сеть с помощью оптоволоконных кабелей, чтобы сформировать основу «квантового Интернета», обеспечивающего совершенно безопасную связь, сказал профессор физики Михаил Лукин, который возглавил команду, состоящую из аспиранта Джеффа Томпсона и аспиранта Тобиаса Тике, чтобы построить новую систему. Их исследования подробно описаны в недавно опубликованной статье в Nature .

«С технической точки зрения это замечательное достижение», – сказал Лукин о новом достижении. «Концептуально идея очень проста – переведите обычный выключатель света на крайний предел. Мы сделали здесь один атом в качестве выключателя, который, в зависимости от его состояния, может открывать или закрывать поток фотонов … и его можно включать и выключать с помощью одного фотона.

Хотя переключатели можно использовать для создания квантового компьютера, Лукин сказал, что маловероятно, что эта технология появится в обычном настольном компьютере.

Он сказал, что они будут использоваться в создании волоконно-оптических сетей, использующих квантовую криптографию, метод шифрования сообщений с использованием законов квантовой механики для обеспечения совершенно безопасной связи. Такие системы делают невозможным перехват и чтение сообщений, отправляемых по сети, потому что сам акт измерения квантового объекта изменяет его, оставляя явные признаки шпионажа.

«Вряд ли всем понадобится такая технология», – сказал он.«Но есть некоторые реалистичные приложения, которые когда-нибудь могут оказать преобразующее влияние на наше общество. В настоящее время мы ограничены использованием квантовой криптографии на относительно небольших расстояниях – десятках километров. диапазон квантовой криптографии до тысяч километров ».

Важно отметить, что, по словам Тике, их система обладает высокой масштабируемостью и однажды может позволить изготавливать тысячи таких коммутаторов в одном устройстве.

«На самом деле мы взяли идеи, которые люди изучали и изучают до сих пор, в макроскопических системах, где свет отражается назад и вперед на двух сантиметровых зеркалах, чтобы взаимодействовать с атомом – мы взяли это и уменьшил его “, сказал Томпсон. «В течение двух десятилетий исследователи работали над соединением двух или трех из этих макроскопических систем и созданием простой сети, но нам очень легко создать три, четыре или 10000 таких оптических схем. Настоящая статья показывает, по крайней мере, технологически путь вперед ».

Это один из способов, как полагает Лукин, для квантовых систем осуществить тот же переход, который традиционные компьютеры сделали десятилетия назад – от электронных ламп к интегральным схемам.

«Обычные компьютеры изначально создавались с использованием электронных ламп, и люди в конечном итоге разработали интегральные схемы, используемые в современных компьютерах», – сказал он.«Там, где сегодня существуют квантовые системы, лучшие системы по-прежнему аналогичны вакуумным лампам – они обычно используют вакуумные камеры для изоляции и удержания отдельных атомов с помощью электромагнитных полей.

«Но совершенно ясно, что если мы хотим масштабировать эти системы, мы должны подумать об использовании интегральных схем», – продолжил он. «Джефф и Тобиас создали гибридную систему. Мы берем атомы в вакуумные камеры и объединяем их с интегральными схемами».

Интегральные схемы, построенные Томпсоном и Тике, работают не от электричества, а от света.

Чипы используют нанофотонную технологию – по сути, способность создавать «проводку», которая может направлять и контролировать путь света – для построения оптических цепей, которые затем могут быть подключены к оптоволоконным кабелям.

Поместив оптические схемы в вакуумную камеру, исследователи использовали «оптический пинцет» – точно сфокусированные лазеры – для захвата одиночного атома и охлаждения его до температуры, превышающей абсолютный ноль. Затем они перемещают атом на расстояние нескольких сотен нанометров от чипа.

Однако простого объединения двух частей недостаточно.

Чтобы создать квантовые переключатели, которые однажды могут стать сердцем квантовых сетей, они бомбардируют атом микроволнами и лазерами, заставляя его входить в состояние квантовой суперпозиции, то есть он может занимать несколько квантовых состояний, соответствующих «включен» и «» выключено »состояния переключателя, сразу.

«Чтобы это сработало, атомный переключатель должен быть подготовлен в этом особом состоянии суперпозиции», – пояснил Лукин.«Это состояние суперпозиции чрезвычайно хрупкое – настолько хрупкое, что когда одиночный фотон попадает в него, он фактически меняет свою фазу. Это изменение фазы – то, что позволяет ему действовать как клапан, включаться или выключаться».

Хотя маловероятно, что коммутаторы станут стандартным оборудованием для персональных компьютеров, Лукин сказал, что они могут появиться в прототипах квантовых сетей всего через десять лет.

«Существуют и другие системы, более сложные с точки зрения построения квантового компьютера», – сказал Томпсон.«Но ключевым преимуществом того, что продемонстрировано в этой статье, является то, что одноатомный переключатель очень плотно связан со светом, особенно со светом в оптических волокнах».


Новый “ переключатель ” может привести в действие квантовые вычисления
Дополнительная информация: физ. org / news / 2014-04-power-Quantum.html Предоставлено Гарвардский университет

Ссылка : Физики разрабатывают квантовые переключатели, которые могут активироваться одиночными фотонами (2014, 18 апреля) получено 1 октября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2014-04-Physicists-Quant-photons.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Этот новый безумный квантовый эксперимент разрушает представления о «до» и «после»

Около века считалось, что частицы не обладают определенными свойствами, пока мы не зафиксируем их измерением.

Такое квантовое безумие открывает целый мир противоречащих интуиции парадоксов. Возьмем, к примеру, это – одна частица может одновременно пережить две последовательности событий, что делает невозможным узнать, что произошло раньше.

Физики из Университета Квинсленда разработали гоночную трассу для света, которая заставляла одиночную частицу проходить два пути одновременно, что сделало невозможным сказать, в каком порядке она выполнила пару операций.

В старой скучной повседневной жизни вы могли скатить шарик по пандусу и заставить его звонить в звонок A, а затем звонить в звонок B. Или, если хотите, вы можете скатить его по другому пандусу и сделать так, чтобы он звенел в B перед A.

Если вы хотите пофантазировать, вы можете даже настроить установку так, чтобы один звонок заставлял звонить другой.

Ничто из этого не поражает воображение, поскольку мы привыкли к событиям во Вселенной, имеющим установленный порядок, когда одно предшествует другому таким образом, что мы предполагаем порядок причинности.

Но все не так просто, когда мы принимаем, что реальность – это размытие возможности до того, как ее измерили.

Чтобы продемонстрировать это, физики создали физический эквивалент чего-то, что называется квантовым переключателем, когда происходит несколько операций, когда частица находится в суперпозиции всех своих возможных местоположений.

Проще говоря, команда проложила путь, который разделился и снова сходился в интерферометре, с доступом к каждой вилке в зависимости от поляризации входящего в нее света.

Световые волны, проходящие по каждой развилке пути, затем сливаются и интерферируют, создавая характерный узор в зависимости от его свойств.

В этом конкретном случае две световые волны на самом деле были одним и тем же фотоном, проходящим оба пути одновременно.

Перед измерением фотон может быть поляризован как вертикально, так и горизонтально. Или, точнее, он поляризован как по вертикали , так и по горизонтали одновременно, пока измерение не подтвердит одно над другим.

Поскольку поляризация этого неопределенного фотона является как вертикальной, так и горизонтальной, он входит в оба пути, причем версия фотона с вертикальной поляризацией движется вниз по одному каналу, а версия с горизонтальной поляризацией – по второму.

Пройдя двумя путями, команда получила квантовый эквивалент тех колокольчиков, о которых мы упоминали ранее – в виде линз, которые слегка изменяли форму фотона.

Горизонтальная поляризация коснется «колокола» A, прежде чем ударит B, в то время как вертикальная поляризация коснется «колокола» B, а затем A.

Анализ интерференционной картины воссоединенного фотона выявил признаки этого беспорядка возможных последовательностей.

С одной стороны, легко представить две отдельные световые частицы – одну с горизонтальной поляризацией, а другую с вертикальной поляризацией – проходящие через каждую линзу в разных порядках.

Однако этого не произошло. Это был одиночный фотон с двумя возможными историями, ни одна из которых не действительна до тех пор, пока не будет измерена.

Хотя события A и B были независимыми в этом квантовом переключателе, они могли быть связаны друг с другом.A может вызвать B, или B может вызвать A… все в зависимости от того, какую историю вы хотите получить после события.

Отложив в сторону мечты о путешествии во времени, чтобы исправить эту большую ошибку (о чем вы думали ?!), у этого есть одно возможное практическое применение в развивающейся области квантовой связи.

Передача фотонов по зашумленному каналу может иметь катастрофические последствия для их квантовой информации и быстро испортить их драгоценную суперпозицию. Однако отправка их по каналам, оснащенным квантовым переключателем, в принципе может дать квантовой информации возможность пройти.

В статье, опубликованной командой на веб-сайте предварительной проверки arxiv.org в июле, показано, как квантовый переключатель, примененный к двум зашумленным каналам, может позволить суперпозиции выжить.

Какие бы странные часы ни происходили в подвале реальности, мы не будем делать вид, что понимаем это. Но сам факт, что физики могут превратить это в новую технологию, поистине ошеломляет сам по себе.

Это исследование было опубликовано в Physical Review Letters .

Квантовый выключатель света: одиночный атом действует как транзистор для фотонов

Направьте два лазерных луча так, чтобы они пересекались друг с другом, и каждый проходит, как если бы другого не существовало.Световые лучи не могут взаимодействовать с другими световыми лучами – или могут? С помощью одного атома физики разработали систему, в которой один световой луч может включать или выключать другой. Такой выключатель света может служить основным компонентом футуристических оптических квантовых компьютеров и может помочь открыть путь к квантовой версии Интернета, которая обеспечит надежную защиту данных.

Устройство использует явление, называемое электромагнитно индуцированной прозрачностью, при котором лазерный луч может сделать непрозрачные облака атомов временно прозрачными для узкой длины волны света.Затем облако может действовать как переключатель для второго луча, пропуская его или блокируя. Результат аналогичен тому, что происходит с транзисторами в электронных схемах, где напряжение, приложенное к одному электроду, определяет, может ли ток течь между двумя другими электродами.

Приложения, такие как квантовые вычисления, требуют контроля лучей вплоть до одиночных фотонов, элементарных частиц света. По словам физика Мартина Мюкке из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия, для этой цели одиночные атомы лучше, чем их облака.Он и его сотрудники захватили атом рубидия и направили на него два разных лазерных луча: один для зондирования или передачи, а другой для переключения. Обычно атом действует как барьер для фотонов от зондирующего луча, потому что он сначала поглощает их – переходя из своего «основного» состояния в «возбужденное» состояние, а затем отстреливает их, то есть отражает их. Это состояние будет представлять собой состояние «выключено» устройства.

Но включение переключающего луча изменило возможные состояния атома, так что теперь он имел два разных основных состояния.Тогда зондирующий луч имел два разных способа возбуждения электрона, каждый из которых начинался с разного основного состояния, но в математике, описывающей квантово-механическую природу атома, эти две возможности компенсируются, так что возбуждение невозможно. Таким образом, фотоны зондирующего луча могли не поглощаться, а проходить сквозь них, отмечая состояние «включено».

Обеспечение взаимодействия отдельных фотонов может быть полезно, потому что фотон может нести единицы квантовой информации, называемые кубитами. Они могут существовать в двух состояниях одновременно и, таким образом, одновременно представлять как 0, так и 1 двоичного кода.Благодаря этой функции квантовые компьютеры могли выполнять определенные операции параллельно. В принципе, они могли быстро выполнять вычисления, которые обычный компьютер не мог бы сделать, по крайней мере, не раньше, чем через пять миллиардов лет солнце раздувается и сожжет Землю.

Герхард Ремпе из Max Planck, старший научный сотрудник в команде, указывает, что одноатомное устройство может делать больше, чем просто переключаться. Например, он может хранить фотоны и высвобождать их по желанию, не повреждая их тонкие квантовые состояния – приложение, известное как квантовая память с произвольным доступом, которая может иметь решающее значение для маршрутизаторов данных квантового Интернета.В такой сети конфиденциальность гарантируется законом квантовой физики [см. «Конфиденциальность и квантовый Интернет», Сет Ллойд; Scientific American , октябрь 2009 г.].

Новое устройство все еще нуждается в доработке: в выключенном состоянии атом все еще пропускает 80 процентов фотонов из второго луча. Но исследователи говорят, что простые улучшения, такие как поддержание более холодного атома, могут снизить это число до 10 процентов, если не до нуля (более существенным ограничением является то, что для работы с отдельными атомами требуется довольно сложная физическая лаборатория. Команда опубликовала свои результаты в 10 июня в журнале Nature . ( Scientific American является частью Nature Publishing Group.)

Сейчас низкая эффективность устройства ограничивает его полезность, – комментирует Пол Г. Квиат, эксперт по квантовой оптике из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. Но если команда сможет повысить эффективность, отмечает он, это «может открыть новый, потенциально эффективный подход к квантовым вычислениям».

Квантовые переключатели | Институт Макса Планка структуры и динамики вещества

Квантовая динамика водорода занимает центральное место во многих проблемах природы, поскольку на нее сильно влияет среда, в которой она имеет место.В своем вкладе в PRL члены группы Lise Meitner в MPSD обращаются к переносу водорода в поддерживаемом молекулярном переключателе, показывая, что поверхностная опора может играть решающую роль в туннельной реакции.

В постоянном стремлении к миниатюризации технологических компонентов нанотехнология на основе молекул становится постоянно растущей областью интереса. В этой области одиночные молекулы становятся основными компонентами электронных устройств. Абсолютное разнообразие возможных молекулярных архитектур и возможность точного управления молекулярным синтезом открывает дверь к бесконечному количеству функциональных компонентов.Однако ключевой задачей является получение контроля над этими функциями в наномасштабе, где квантово-механические эффекты становятся заметными.

Внутри молекулы порфицена, адсорбированной на металлических поверхностях с ГЦК [110], реакции переноса водорода происходят через ядерное туннелирование даже при температуре чуть ниже комнатной. На рисунке схематически показан путь инстантонного туннелирования, полученный на полномерной поверхности потенциальной энергии из первых принципов, в реальном пространстве и спроецированный на выбранные молекулярные координаты.Флуктуация поверхностных атомов может увеличивать скорость туннелирования на несколько порядков.

© Мариана Росси

Внутри молекулы порфицена, адсорбированной на металлических поверхностях с ГЦК [110], реакции переноса водорода происходят через ядерное туннелирование даже при температуре чуть ниже комнатной. На рисунке схематически показан путь инстантонного туннелирования, полученный на полномерной поверхности потенциальной энергии из первых принципов, в реальном пространстве и спроецированный на выбранные молекулярные координаты.Флуктуация поверхностных атомов может увеличивать скорость туннелирования на несколько порядков.

© Мариана Росси

Молекула порфицена является одним из примеров прототипа молекулярного переключателя. Порфицен – структурный изомер порфирина с сильными водородными связями во внутренней полости. Его переключающая способность основана на очень фундаментальной реакции в химической физике: двойном переносе водорода, который может поменять местами атомы водорода во внутренней полости и, таким образом, определять различные состояния (включение / выключение) молекулы – процесс, называемый таутомеризацией.Чтобы контролировать и измерять атомную структуру и скорость переключения этих молекулярных единиц, их обычно иммобилизуют, помещая их в контакт с металлическими поверхностями. Эта ситуация требует от исследователей понимания динамики водорода в среде, которая включает качественно различные типы взаимодействия между атомами внутри молекулы и между молекулой и поверхностью.

В этом контексте порфицен широко изучался экспериментальными методами с использованием одной молекулы.Исследователи наблюдали несколько загадочных аспектов скорости таутомеризации в различных диапазонах температур, включая температуры, при которых атомы больше не ведут себя как классические частицы, а вместо этого могут туннелировать через барьеры. Используя гору в качестве аналогии, атомы будут мгновенно перемещаться между двумя долинами по прямой под горой, вместо того, чтобы тратить время на то, чтобы подниматься и опускаться над ней.

В своей новой работе, только что опубликованной в PRL , Яир Литман и Мариана Росси обращаются к этому поддерживаемому молекулярному переключателю с помощью современной методологии и новых компьютерных алгоритмов: комбинации теории функционала плотности с инстантонами кольцевых полимеров. Эти методы, наконец, позволили изучить такие системы с помощью полномасштабного атомистического моделирования, в котором электроны и ядра рассматриваются как квантово-механические частицы. Авторы показывают, что для порфицена, адсорбированного на поверхностях Cu (110) и Ag (110), реакция переноса водорода действительно дает большой вклад от ядерного туннелирования даже при температурах не намного ниже комнатной.

Совершенно неожиданно авторы обнаружили, что при понижении температуры тяжелые поверхностные атомы, такие как медь, участвуют во внутримолекулярной реакции туннелирования водорода и могут вызывать увеличение скорости туннелирования до двух порядков величины при температуре около 80 К. .Чем сильнее взаимодействие молекулы с поверхностью (гибридизация электронных орбиталей), тем более выражено участие поверхностных атомов в событии туннелирования.

Примечательно, что авторы также объяснили нетрадиционную температурную зависимость скорости туннелирования, которая ранее наблюдалась в экспериментах. Это вызвано существованием промежуточной метастабильной структуры в реакции, которая существует в течение такого короткого периода времени (~ 100 пикосекунд, при этом одна пикосекунда составляет триллионную долю секунды), что ранее не могла быть обнаружена экспериментальными методами. используется в этой системе.Понимая этот механизм, авторы могли также объяснить различные режимы температурной зависимости скорости в туннельном режиме и предложить простую модель для предсказания этой температурной зависимости для этого переключателя, адсорбированного на других металлических поверхностях.

Это важное новое понимание того факта, что определенные характеристики поверхностного носителя могут влиять на ядерные квантово-механические свойства реакции переключения в этих и, возможно, других молекулах. Они также демонстрируют, что монокристаллические подложки являются идеальной платформой, где передовая теория и эксперимент могут объединиться, чтобы обеспечить более глубокое понимание ядерной квантовой динамики в сложных средах. Такие результаты имеют большое фундаментальное значение и могут также помочь в разработке и интерпретации экспериментальных архитектур в развитии молекулярных нанотехнологий.

Новый метод позволяет частицам переключать квантовое состояние друг друга

Ученые разработали новый метод захвата атомов рубидия в решетку света, который может помочь развитию квантовых вычислений. Иллюстрация: Кристина Данилофф / MIT

Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали новую технику, которая связывает одиночный атом с единственной легкой частицей, позволяя как атому, так и фотону переключать квантовое состояние другой частицы.

Используя лазер для размещения отдельных атомов рубидия вблизи поверхности световой решетки, ученые Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали новый метод соединения частиц, который может помочь в разработке мощных квантовых вычислительных систем.

Новый метод, описанный в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, позволяет исследователям связать одиночный атом рубидия, металла, с одиночным фотоном или легкой частицей. Это позволяет как атому, так и фотону переключать квантовое состояние другой частицы, обеспечивая механизм, посредством которого могут выполняться операции квантового уровня.

Более того, ученые считают, что их метод позволит им увеличить количество полезных взаимодействий, происходящих в небольшом пространстве, тем самым увеличивая объем доступной обработки квантовых вычислений.

«Это крупное достижение этой системы», – говорит Владан Вулетич, профессор кафедры физики Массачусетского технологического института и исследовательской лаборатории электроники (RLE) и соавтор статьи. «Мы продемонстрировали, что атом может переключать фазу фотона. А фотон может переключать фазу атома.”

То есть фотоны могут иметь два состояния поляризации, и взаимодействие с атомом может переводить фотон из одного состояния в другое; И наоборот, взаимодействие с фотоном может изменить фазу атома, что эквивалентно изменению квантового состояния атома с его «основного» состояния на «возбужденное» состояние. Таким образом, связь атома-фотона может служить квантовым переключателем для передачи информации – эквивалентом транзистора в классической вычислительной системе. А поместив множество атомов в одно и то же поле света, исследователи смогут построить сети, которые смогут обрабатывать квантовую информацию более эффективно.

«Теперь вы можете представить, что туда поместили несколько атомов, чтобы сделать несколько таких устройств – толщиной всего несколько сотен нанометров, что в 1000 раз тоньше человеческого волоса – и соединить их вместе, чтобы они обменивались информацией», – добавляет Вулетич.

Использование фотонного резонатора

Квантовые вычисления могут обеспечить быстрое выполнение вычислений за счет использования отличительных свойств частиц на квантовом уровне. Некоторые частицы могут находиться в состоянии суперпозиции, оказываясь существующими в двух местах одновременно.Частицы в суперпозиции, известные как кубиты, могут, таким образом, содержать больше информации, чем частицы в классических масштабах, и обеспечивать более быстрые вычисления.

Однако исследователи находятся на ранних этапах определения того, какие материалы лучше всего подходят для квантовых вычислений. Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарварда рассматривают фотоны в качестве материала-кандидата, поскольку фотоны редко взаимодействуют с другими частицами. По этой причине оптическую квантовую вычислительную систему, использующую фотоны, было бы сложнее выбить из ее тонкой настройки.Но поскольку фотоны редко взаимодействуют с другими частями материи, ими в первую очередь трудно манипулировать.

В этом случае исследователи использовали лазер, чтобы поместить атом рубидия очень близко к поверхности фотонно-кристаллической полости, структуры света. Атомы располагались на расстоянии не более 100 или 200 нанометров – меньше длины волны света – от края полости. На таких малых расстояниях между атомом и поверхностью светового поля существует сильная сила притяжения, которую исследователи использовали для захвата атома на месте.

Другие методы получения аналогичного результата рассматривались ранее – такие как, по сути, падение атомов на свет, а затем их обнаружение и захват. Но исследователи обнаружили, что таким образом они лучше контролируют частицы.

«В некотором смысле было большим сюрпризом, насколько просто это решение было по сравнению с различными методами, которые вы могли себе представить, чтобы получить туда атомы», – говорит Вулетич.

В результате получается то, что он называет «гибридной квантовой системой», где отдельные атомы соединяются с микроскопическими устройствами, и в которой атомами и фотонами можно эффективно управлять.Исследователи также обнаружили, что новое устройство служит своего рода маршрутизатором, отделяющим фотоны друг от друга.

«Идея состоит в том, чтобы объединить разные вещи, которые имеют разные сильные и слабые стороны, таким образом, чтобы создать что-то новое», – говорит Вулетич, добавляя: «Это прогресс в технологии. Конечно, еще неизвестно, будет ли это технология ».

«Все еще удивительно» удерживать один атом

Статья «Нанофотонный квантовый переключатель фазы с одним атомом» является соавтором Вулетича; Тобиас Тике, постдок, связанный с RLE и Гарвардом; Гарвардский профессор физики Михаил Лукин; Постдок из Гарварда Натали де Леон; и аспиранты Гарварда Джефф Томпсон и Бо Лю.

Сотрудничество между исследователями Массачусетского технологического института и Гарварда – одно из двух достижений в области, описанной в текущем выпуске журнала Nature. Исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка в Германии одновременно разработали новый метод взаимодействия атома с фотоном с использованием зеркал, образующих квантовые ворота, которые изменяют направление движения или поляризацию фотонов.

«Эксперимент Гарварда / Массачусетского технологического института – шедевр квантовой нелинейной оптики, впечатляюще демонстрирующий преобладание отдельных атомов над многими атомами в управлении квантовыми световыми полями», – говорит Герхард Ремпе, профессор Института квантовой оптики Макса Планка, оказавший помощь возглавить новое исследование немецкой группы, и кто прочитал статью U. Команда на базе С. «Когерентное манипулирование атомом, соединенным с резонатором на фотонном кристалле, представляет собой прорыв и дополняет нашу собственную работу… с атомом в резонаторе с диэлектрическим зеркалом».

Ремпе добавляет, что, по его мнению, оба метода будут рассматриваться как заметные «достижения на пути к надежной квантовой технологии со стационарными атомами и летающими фотонами».

Если методы исследования кажутся немного футуристическими, Вулетич говорит, что даже будучи опытным исследователем в этой области, он по-прежнему испытывает некоторый трепет перед инструментами, имеющимися в его распоряжении.

«Для меня по-прежнему удивительно, что после 20 лет работы в этом направлении, – размышляет Вулетич, – мы можем удерживать один атом, мы можем видеть его, мы можем перемещать его, мы можем создавать квантовые суперпозиции атомов. , мы можем обнаружить их одного за другим ».

Финансирование исследования было частично предоставлено Национальным научным фондом, Гарвардским центром ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института, Советом по естественным и инженерным исследованиям Канады, Управлением научных исследований ВВС США и Фондом Паккарда.

Публикация : T. G. Tiecke и др., «Нанофотонный квантовый переключатель фазы с одиночным атомом», Nature 508, 241–244, 2014; DOI: 10.1038 / природа13188

Изображение: Кристина Данилофф / MIT

Это квантовое открытие расширяет наши представления о времени – сейчас. На базе Northrop Grumman

Новейшие научные открытия, лежащие в основе квантовой коммуникации и квантовых вычислений, могут изменить всю нашу концепцию времени. В недавнем эксперименте используется устройство, называемое квантовым переключателем, чтобы перемешать последовательность из двух событий так, чтобы не было «до» или «после», потому что они происходят в обоих порядках одновременно.

Что было первым, курица или яйцо?

Как ни странно, в мире квантовой физики курица и яйцо могут быть первыми и , согласно пресс-релизу Квинслендского университета, опубликованному в Science Daily.

Доктор Жаки Ромеро объяснил: «Странность квантовой механики означает, что события могут происходить без определенного порядка».

Группа физиков продемонстрировала, что квантовая механика позволяет событиям происходить без определенного причинного порядка – другими словами, без причинно-следственной последовательности, которую мы обычно ожидаем для множества событий с течением времени.

Эксперимент по изменению света (и изменению разума)

ScienceNews пояснил, что в эксперименте исследователи использовали квантовый переключатель, чтобы доказать, что порядок событий – в данном случае изменение формы света так или иначе – происходит одновременно. Они использовали поляризационный светоделитель для отправки частиц света (фотонов) через серию из двух операций (обозначенных «A» и «B»). Фотоны могут перемещаться по двум отдельным путям, что зависит от поляризации , термин, который описывает, колеблются ли его электромагнитные волны по горизонтали или по вертикали.

Горизонтальная поляризация делает операцию «A» первой, в то время как вертикальная поляризация означает, что сначала выполняется операция «B». Однако явление, называемое суперпозицией , позволяет фотону одновременно поляризоваться как по горизонтали, так и по вертикали, что также означает, что фотон испытывает «A» и «B» одновременно.

«Это всего лишь первое доказательство принципа, но в более крупном масштабе неопределенный причинный порядок может иметь реальное практическое применение, например, повышение эффективности компьютеров или улучшение коммуникации», – исследователь д-р.Об этом сообщил Фабио Коста в пресс-релизе.

Философские и практические приложения

Новый квантовый переключатель в конечном итоге может быть использован для двух новых технологий: квантовой связи и квантовых вычислений. Согласно ScienceNews, когда-нибудь квантовый переключатель можно будет использовать для кодирования и декодирования информации в квантовой сети. Хотя может показаться, что данные зашифрованы, суперпозиция позволит извлечь некоторую информацию.

Суперпозиция также является причиной того, что люди так увлечены квантовыми вычислениями. Согласно Wired, хотя квантовые вычисления были впервые предложены в 1982 году, эта концепция только недавно начала воплощаться в жизнь. Современные компьютеры представляют биты данных как 1 или 0, но в квантовом компьютере они также могут быть обоими одновременно.

Эксперименты, такие как новый квантовый переключатель, и изучение квантовой механики в целом могут помочь переопределить нашу концепцию времени. Физик-теоретик и философ Карло Ровелли написал новую книгу «Порядок времени», в которой исследует эту идею.Ровелли сказал Science: «Время – это не одно понятие; он многогранен, и чтобы изучить его с научной точки зрения, мы должны распутать его ».

Согласно Ровелли, наша макроскопическая перспектива как человека размывает наш взгляд на мир. Он добавил: «Различие между прошлым и будущим связано с этим размытием и исчезло бы, если бы мы смогли увидеть микроскопическую молекулярную активность мира».

Вас заинтриговала квантовая наука? Если это так, ознакомьтесь с вакансиями Northrop Grumman на нашей странице вакансий.

Могут существовать бесконечные миры с бесчисленным множеством твоих версий.

Вы когда-нибудь задумывались, что бы произошло, если бы вы приняли предложение «Эй, давай выпьем кофе» от того крутого одноклассника, который у тебя когда-то был? Если верить некоторым из сегодняшних ведущих физиков, такие вопросы – более чем пустая болтовня. Может быть, ваша версия из другого мира пошла в этот день и сейчас празднует вашу 10-ю годовщину свадьбы.

Мысль о том, что существует множество ваших версий, существующих в мирах, слишком многочисленных, чтобы их сосчитать, далека от нашего интуитивного опыта.Это действительно выглядит и чувствуется так, будто каждый из нас – всего лишь один человек, живущий только одной жизнью, каждый день просыпающийся в одном и том же, единственном и неповторимом мире.

Но, согласно все более популярному анализу квантовой механики, известному как «интерпретация множества миров», каждое фундаментальное событие, которое имеет несколько возможных исходов – будь то частица света, падающая на Марс, или молекула в пламени, отражающаяся от вашего чайника, – раскалывается. мир в альтернативные реальности.

Множественные расщепления, множественные миры

Даже опытным ученым странно думать, что Вселенная разделяется на части в зависимости от того, отскакивает ли молекула тем или иным образом.Еще более странно осознавать, что подобное расщепление может происходить для каждого взаимодействия, происходящего в квантовом мире.

Все становится совершенно странным, когда вы понимаете, что все эти субатомные расщепления применимы и к более крупным вещам, включая нас самих. Может быть, есть мир, в котором ваша версия отделилась и купила выигрышный лотерейный билет. Или, может быть, в другом случае вы споткнулись о вершину обрыва и упали насмерть – ой.

«Вполне возможно, что есть несколько миров, в которых вы принимаете разные решения.Мы просто подчиняемся законам физики », – говорит Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института и автор новой книги о многих мирах под названием« Нечто глубоко скрытое ». Сколько может быть твоих версий? «Мы не знаем, конечно ли количество миров или бесконечно, но это определенно очень большое число, – говорит Кэрролл. – Не может быть, например, пять».

Кэрролл знает, что интерпретация множества миров звучит как что-то из научно-фантастического фильма.(Не помогает то, что он был советником по «Мстителям: Финал».) И, как в голливудском блокбастере, интерпретация множества миров привлекает как страстных поклонников, так и яростных критиков.

Известный теоретик Роджер Пенроуз из Оксфордского университета отвергает эту идею как «reductio ad absurdum»: физика сведена к абсурду. С другой стороны, бывший сотрудник Пенроуза, покойный Стивен Хокинг, описал интерпретацию множества миров как «самоочевидно верную».

Самому Кэрроллу нравится мысль, что он всего лишь один из многих Шона Кэрролла, бегающих в альтернативных версиях реальности.«Концепция единственного человека, простирающаяся от рождения до смерти, всегда была лишь полезным приближением», – пишет он в своей новой книге, и для него интерпретация множества миров просто расширяет эту идею: «Мир дублируется, и все в мире меняется. вместе с ним ».

Как мы сюда попали?

Сногсшибательная сага об интерпретации множества миров началась в 1926 году, когда австрийский физик Эрвин Шредингер математически продемонстрировал, что субатомный мир принципиально расплывчатый.

В знакомой реальности человеческого масштаба объект существует в одном четко определенном месте: положите телефон на прикроватную тумбочку, и это единственное место, где он может быть, независимо от того, ищете вы его или нет. Но в квантовой сфере объекты существуют в виде пятна вероятности, попадая в фокус только при наблюдении.

«Прежде чем вы посмотрите на объект, будь то электрон, атом или что-то еще, он не находится в каком-либо определенном месте», – говорит Кэрролл. «Более вероятно, что вы заметите его в том или ином месте, но на самом деле он не находится в каком-то конкретном месте.

Почти век экспериментов подтвердил, что, как это ни странно, это явление является ключевым аспектом физического мира. Даже Эйнштейн боролся с идеей: что случилось со всеми другими возможными местоположениями, где мог бы находиться объект, и со всеми другими различными исходами, которые могли бы последовать? Почему поведение объекта должно зависеть от того, смотрит ли на него кто-то или нет?

В 1957 году студент из Принстона по имени Хью Эверетт III предложил радикальное объяснение.Он предположил, что все возможные результаты действительно происходят, но что в мире, в котором мы живем, разыгрывается только одна версия. Все остальные возможности отделились от нас, каждая из которых порождает свой отдельный мир. С этой точки зрения, ничто не пропадает зря, поскольку все, что может случиться, действительно происходит в каком-то мире.

На протяжении десятилетий коллеги Эверетта в основном игнорировали его объяснение, рассматривая его скорее как историю о привидениях, чем как серьезную науку. Но никто не нашел никаких изъянов в уравнении Шредингера; они также не могут объяснить его значение.В результате многие современные физики, в том числе Дэвид Дойч из Оксфордского университета и Макс Тегмарк из Массачусетского технологического института, пришли к согласию с Кэрроллом в том, что интерпретация множества миров – единственный последовательный способ понять квантовую механику.

Полевой гид по многим мирам

Интерпретация множества миров поднимает всевозможные загадочные вопросы о множественных версиях реальности и о множественных версиях вас, существующих в них.У Кэрролла есть несколько ответов.

Если постоянно возникают новые вселенные, разве что-то не создается из ничего, нарушая один из самых основных принципов физики? По словам Кэрролла, это не так: «Это только похоже на то, что вы создаете дополнительные копии вселенной. Лучше представить себе это как взятие большой толстой вселенной и ее разрезание ».

Почему мы переживаем одну конкретную реальность, а не другую? «В каком еще из них вы бы оказались?» – весело говорит Кэрролл.«Это все равно что спрашивать, почему ты живешь сейчас, а не в другое время. Все в каждом мире думают, что они в этом мире ».

Кэрролл также дал неутешительный ответ на один из самых интересных вопросов: не могли бы вы перейти и посетить одну из других реальностей и сравнить записи с версией себя из альтернативного мира? «Когда возникают другие миры, они идут своим путем», – говорит Кэрролл. «Они не взаимодействуют, они не влияют друг на друга ни в какой форме. Пересечение похоже на путешествие быстрее скорости света.Это не то, что ты можешь сделать ».

Война многих миров

Толкование многих миров подвергается критике за то, что, хотя оно предлагает красочный способ думать о мире, оно не дает никаких новых взглядов на то, как устроена природа. «В нем нет никакого содержания, – говорит физик Кристофер Фукс из Массачусетского университета в Бостоне.

Фукс отдает предпочтение альтернативе, называемой квантовым байесовством, которая предлагает путь назад к старомодной единой реальности. Он утверждает, что вселенная меняется, когда вы смотрите на нее не потому, что вы создаете новые миры, а просто потому, что наблюдение требует взаимодействия с вашим окружением.Никаких кофейных фиников, никаких других жизней для тебя. «Таким образом, измерение превращается из чего-то мистического в дело столь обыденного, как прогулка по оживленной улице: это действие, которое я могу предпринять, и оно явно имеет для меня последствия», – говорит он.

Связанные

Подходя к критике с другой стороны, Роджер Пенроуз из Оксфорда утверждает, что сама идея множества миров ошибочна, поскольку основана на чрезмерно упрощенной версии квантовой механики, не учитывающей гравитацию.«Правила должны измениться, когда задействована гравитация», – говорит он.

В более полной квантовой теории, утверждает Пенроуз, гравитация помогает закрепить реальность, и размытые события будут иметь только один допустимый результат. Он указывает на потенциально решающий эксперимент, проводимый в настоящее время в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре и Лейденском университете в Нидерландах, который предназначен для непосредственного наблюдения за тем, как объект трансформируется из множества возможных мест в единую фиксированную реальность.

Кэрролла равнодушны эти альтернативные объяснения, которые он считает чрезмерно сложными и не подкрепленными данными.Он признает, что идея нескольких вас может нервировать. Но для него основная концепция многих миров – «четкая, ясная, красивая, простая и чистая».

Если он прав, он не единственный Шон Кэрролл, который так думает.

Хотите больше историй о науке?

Подпишитесь на информационный бюллетень MACH и следите за новостями NBC MACH в Twitter, Facebook и Instagram.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *