La kvantesuperposition Det er et koncept, der bliver hørt mere og mere. Denne egenskab ved naturen bliver brugt i frøene til kvantecomputere, kvanteteleportation og kvanteinternettet. Der er dog mange mennesker, der ikke kender godt til kvantesuperposition, og det lyder kinesisk for dem.
I denne artikel vil vi fortælle dig, hvad kvantesuperposition er, dens egenskaber og vigtighed.
Hvad er kvantesuperposition
Kvantesuperposition er et grundlæggende princip i kvantemekanikken det udtrykker den samtidige eksistens af et fysisk system, såsom en elektron, i alle dets mulige teoretiske tilstande. Når det observeres, kan det kun "kollapse" til en af disse konfigurationer. Denne "frysning" er tilfældig, men er baseret på sandsynlighedslovene.
En måde at forstå kvantesuperposition på, i det mindste på en forenklet måde, er at tro, at en partikel kan være i to exciterede tilstande på samme tid, men når den først er observeret, afslører den kun én af dem. Superposition er således meget brugt i kvanteberegning. En "qubit" eller qubit kan tage både værdierne 0 og 1; i modsætning til en bit skal en bit være enten 0 eller 1.
Denne tilstand af kvantesuperposition er resultatet af et teoretisk forslag fra den franske hertug Louis de Broglie, som foreslog i 1924, at elektroner ikke er partikler, men bølger. Det vil sige, at elektroner ikke er "kugler" af stof med klassiske interaktioner (såsom kollisioner mellem billardkugler), men bølger, der rejser gennem rummet. Det her er ægte.
Kvantesuperposition af elektroner
Hvis vi forestiller os elektroner som "kugler", giver summen af den ene plus den anden os en falsk idé om, hvordan stof opfører sig, fordi vi forestiller os dem stablet op som kugler. Nogle er over, nogle er under, og nogle er til siderne. Imidlertid fungerer stof ikke sådan på kvanteniveau, kun på makroskopisk niveau. Det er vores.
Fænomenet kvantesuperposition er lettere at forstå siden opfattelsen af, at materien opfører sig som bølger. I modsætning til stof kan bølger overlappe hinanden. På kvanteniveau opfører stof sig som bølger, og der sker noget interessant: stof kan "føje sig" til hinanden.
En interessant analogi kan observeres i naturen. Følgende billede viser krusningerne efterladt af vanddråber på overfladen af vandet. Det er en cirkulær bølge, der forplanter sig langs en overflade. Enhver, der nogensinde har kastet en sten i en sø, vil vide dette. I princippet er hver bølge uafhængig.
Imidlertid opstår bølgesuperposition, når to bølger falder sammen. Det vil sige, at lægge til eller trække deres størrelser fra. Når de to kamme mødes, stiger vandet meget højt. Hvor der er to dale, ser vi lavninger. Hvis toppene falder sammen med dalene, vil summen af bølgerne resultere i aflysning.
Bølger og kvantesuperposition
Hvis elektroner er bølger, der bevæger sig gennem rummet, kan deres bølger gøre ting, der ligner det, der ses i vand. Fænomenet er meget mere kompliceret, men her er en måde at forenkle det på. Men spørgsmålet, der bekymrer mange, er: hvor er elektronerne?
Ifølge kvantemekanikkens love, kvantesuperposition kan forekomme, indtil partiklerne er observeret. Så kollapser bølgefunktionen (den der beskriver sandsynligheden for, at en partikel har den ene eller anden tilstand, hvilket er sådan vi repræsenterer systemer af partikler) eller defineres som en mere specifik bølgefunktion.
Selvom det ikke er helt korrekt, kan følgende analogi bruges. En heliumballon flyder i et mørkt rum. Først, det er umuligt at vide præcis, hvor ballonen er, fordi der er meget komplicerede luftstrømme, der flytter ballonen fra den ene side til den anden. Det er muligt at bestemme sandsynligheden for, at ballonen er placeret et eller andet sted. Dette er dens bølgefunktion.
Hvordan ved du, hvor det er nu? Hvordan får man bølgefunktionen til at "kollapse"? Et eksperiment, der kan gøres, er at kaste pile. Hvis pilen går, hvor ballonen ikke er, hører vi ingen lyd. Men hvis pilen går gennem ballonen, hører vi en eksplosion. Konklusionen er: ballonen vil bestemme sin position, uanset om pilen rammer den eller ej. Det vil sige, at den vil "falde sammen" i fysisk forstand og afsløre, hvor den er.
Selvom det ikke er en perfekt analogi, hjælper balloneksemplet med at forstå, hvordan elektroner kan fordeles i et bestemt område af rummet på samme tid, og hvordan kun, når du ser på det, kan du fortælle, hvad det er.
Nytte i dag
Hvis denne egenskab er så interessant, er det fordi den kunne bruges til at bygge kvantecomputere. I 2016 udnyttede et team af forskere stoffets kvanteegenskaber, herunder superpositionstilstande, for at muliggøre langdistancetransmission af information.
En 2017, et andet hold teleporterede med succes en kvantetilstand mellem to forbundne noder. I 2022 lykkedes det en gruppe forskere at teleportere en kvantetilstand mellem to afbrudte noder takket være det faktum, at Alice, Bob og Charlies noder var forbundet én efter én. Gennem disse eksperimenter er det muligt at bygge et mere pålideligt internet.
I øjeblikket udforsker forskere måder at udnytte denne egenskab til at løse problemer, der ville være meget vanskelige eller endda umulige at tackle med klassiske computere. I en kvantecomputer er de klassiske bits (0 eller 1) erstattet af qubits, som de kan være i overlap, hvilket betyder, at de kan repræsentere 0 og 1 på samme tid. Dette gør det muligt for kvantecomputeren at udforske flere løsninger samtidigt, hvilket resulterer i et enormt potentiale for at løse komplekse problemer inden for områder som kryptografi, materialesimulering og optimering.
En anden spændende applikation er sikker kvantekommunikation. På grund af egenskaben ved kvantesuperposition opdages ethvert forsøg på at interferere med den transmitterede information øjeblikkeligt, hvilket kan føre til praktisk talt uigennemtrængelige kommunikationssystemer og sikre oplysningernes privatliv.
Jeg håber, at du med denne information kan lære mere om kvantesuperposition, dens egenskaber og anvendelighed.