Fizycy odkrywają “królów i królowe kwantowości”

Czy ta lekka cząsteczka bardziej przypomina kulę pędzącą w przestrzeni, czy bardziej rozmazany bałagan, który jest wszędzie na raz?

Odpowiedź zależy od tego, czy absurdalne prawa cząstek subatomowych czy deterministyczne równania rządzące większymi obiektami mają większe znaczenie. Teraz, po raz pierwszy, fizycy znaleźli sposób matematycznego zdefiniowania stopnia kwantowości, jaki wykazuje cokolwiek – czy to cząstka, atom, cząsteczka, czy nawet planeta. Wynik sugeruje sposób ilościowego określenia kwantowości i zidentyfikowania „najbardziej kwantowych stanów” systemu, który zespół nazywa „królami i królowymi kwantowości”.

Oprócz pogłębienia wiedzy na temat wszechświata, prace mogą znaleźć zastosowanie w technologiach kwantowych, takich jak detektory fal grawitacyjnych i ultraprecyzyjne urządzenia pomiarowe.

Serce rzeczywistości

W subatomowym sercu rzeczywistości panuje dziwaczny świat mechaniki kwantowej. Zgodnie z tymi regułami, drobne cząstki subatomowe, takie jak elektrony, mogą łączyć się w pary w dziwnych superpozycjach kwantowych (quantum superposition) – co oznacza, że ​​elektron może istnieć w wielu stanach jednocześnie – a ich pozycje wokół atomu, a nawet ich pęd nie są ustalone, dopóki nie są obserwowane. Te małe cząsteczki mają nawet zdolność do tunelowania przez pozornie nie do pokonania bariery.

Z drugiej strony klasyczne przedmioty podlegają normalnym, codziennym regułom naszego doświadczenia. Kule bilardowe uderzają o siebie; kule armatnie latają po łukach parabolicznych; a planety obracają się wokół swoich orbit zgodnie z dobrze znanymi równaniami fizycznymi.

Naukowcy od dawna zastanawiali się nad tym dziwnym stanem rzeczy, w którym niektóre istoty w kosmosie można zdefiniować klasycznie, podczas gdy inne podlegają probabilistycznym prawom kwantowym – co oznacza, że ​​można mierzyć tylko prawdopodobne wyniki.

Ale „według mechaniki kwantowej wszystko jest mechaniką kwantową” – powiedział Aaron Goldberg, fizyk z University of Toronto w Kanadzie i główny autor nowego artykułu. „To, że nie widzisz tych dziwnych rzeczy każdego dnia, nie oznacza, że ​​ich nie ma”.

Goldberg ma na myśli to, że klasyczne obiekty, takie jak kule bilardowe, są potajemnie systemami kwantowymi, więc istnieje nieskończenie małe prawdopodobieństwo, że przejdą przez ścianę stołu bilardowego. Sugeruje to, że istnieje kontinuum, z „klasycznością” na jednym końcu i „kwantowością” na drugim.

Jakiś czas temu jeden ze współautorów Goldberga, Luis Sanchez-Soto z Uniwersytetu Complutense w Madrycie w Hiszpanii, wygłaszał wykład, kiedy uczestnik zapytał go, jaki byłby najbardziej kwantowy stan, w jakim może znajdować się system. „To wyzwoliło wszystko”,”- powiedział Sanchez-Soto.

Poprzednie próby kwantyfikacji kwantowej zawsze dotyczyły określonych układów kwantowych, takich jak te zawierające cząsteczki światła, więc wyniki nie mogły koniecznie być zastosowane do innych układów, które zawierały różne cząstki, takie jak atomy. Goldberg, Sanchez-Soto i ich zespół szukali zamiast tego uogólnionego sposobu definiowania ekstremów w stanach kwantowych.

„Możemy to zastosować do dowolnego systemu kwantowego – atomów, cząsteczek, światła, a nawet kombinacji tych rzeczy – stosując te same zasady przewodnie” – powiedział Goldberg. Zespół odkrył, że te ekstrema kwantowe mogą występować w co najmniej dwóch różnych typach, nazywając niektórych królami i innymi królowymi ze względu na ich doskonały charakter.

Poinformowali o swoim odkryciu 17 listopada w czasopiśmie AVS Quantum Science.

Więc co to dokładnie oznacza, że ​​coś jest „najbardziej kwantowe”? Tutaj praca staje się trudna, ponieważ jest wysoce matematyczna i trudna do łatwej wizualizacji.

Ale Pieter Kok, fizyk z University of Sheffield w Anglii, który nie był zaangażowany w pisanie nowej pracy, zasugerował sposób, aby ją zrozumieć. Jednym z najbardziej podstawowych układów fizycznych jest prosty oscylator harmoniczny – to znaczy kula na końcu sprężyny poruszająca się w przód iw tył – powiedział Kok.

Cząstka kwantowa znalazłaby się w klasycznym ekstremum, gdyby zachowywała się jak ten układ kulowo-sprężynowy, znajdowana w określonych punktach w czasie na podstawie początkowego “uderzenia”, które otrzymała. Ale jeśli cząstka nie miała dobrze zdefiniowanej pozycji i została znaleziona na ścieżce sprężyny i kuli, znajdowałaby się w jednym z tych kwantowych stanów ekstremalnych.

Pomimo ich osobliwości, Kok uważa wyniki za całkiem przydatne i ma nadzieję, że znajdą one szerokie zastosowanie. Wiedząc, że istnieje podstawowa granica, w której system działa z największą możliwą kwantową wielkością, to jak wiedza, że ​​istnieje prędkość światła, powiedział.

„To nakłada ograniczenia na rzeczy, które są skomplikowane do analizy” – dodał.

Goldberg powiedział, że najbardziej widoczne zastosowania powinny pochodzić z metrologii kwantowej, w której inżynierowie próbują mierzyć stałe fizyczne i inne właściwości z niezwykłą precyzją. Na przykład detektory fal grawitacyjnych muszą być w stanie zmierzyć odległość między dwoma zwierciadłami z dokładnością lepszą niż 1/10 000 wielkości jądra atomowego. Korzystając z zasad zespołu, fizycy mogliby ulepszyć ten imponujący wynik.

Ale odkrycia mogą również pomóc naukowcom w takich dziedzinach, jak komunikacja światłowodowa, przetwarzanie informacji i obliczenia kwantowe. „Prawdopodobnie istnieje wiele zastosowań, o których nawet nie myśleliśmy” – powiedział podekscytowany Goldberg.

Źródła: Adam Mann

Extremal quantum states featured

Zdjęcia: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x