Darüber Hinaus: Ein Physiker Erklärte, Wie Man Die Gesetze Der Quantenmechanik Umgeht - Alternative Ansicht

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Darüber Hinaus: Ein Physiker Erklärte, Wie Man Die Gesetze Der Quantenmechanik Umgeht - Alternative Ansicht
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Video: Quantenmechanik, Klassische Physik & Determinismus - Grundlagen der Quantenmechanik einfach erklärt 2024, March
Anonim

Eugene Polzik, Professor für Physik am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen, einer der Pioniere der Quantenteleportation, erklärte der RIA Novosti, wo die Grenze zwischen der "realen" und der "Quanten" -Welt liegt, warum ein Mensch nicht teleportiert werden kann und wie er es geschafft hat, Materie mit "negativer Masse" zu erzeugen.

Vor fünf Jahren führte sein Team erstmals ein Experiment durch, um nicht ein einzelnes Atom oder Lichtteilchen, sondern ein makroskopisches Objekt zu teleportieren.

Kürzlich war er Vorsitzender des internationalen Beirats des Russian Quantum Center (RQC) und ersetzte Mikhail Lukin, den Schöpfer eines der größten Quantencomputer der Welt und weltweit führend im Bereich Quantencomputer. Laut Professor Polzik wird er sich darauf konzentrieren, das intellektuelle Potenzial junger russischer Wissenschaftler zu entwickeln und zu realisieren und die internationale Beteiligung an der Arbeit des RCC zu stärken.

„Eugene, wird die Menschheit jemals mehr als einzelne Teilchen oder eine Ansammlung von Atomen oder anderen makroskopischen Objekten teleportieren können?

- Sie haben keine Ahnung, wie oft mir diese Frage gestellt wird - danke, dass Sie mich nicht gefragt haben, ob es möglich ist, eine Person zu teleportieren. Ganz allgemein ist die Situation wie folgt.

Das Universum ist ein gigantisches Objekt, das auf Quantenebene verwickelt ist. Das Problem ist, dass wir nicht alle Freiheitsgrade dieses Objekts "sehen" können. Wenn wir ein großes Objekt in einem solchen System nehmen und versuchen, es zu betrachten, werden die Wechselwirkungen dieses Objekts mit anderen Teilen der Welt zu einem sogenannten "gemischten Zustand" führen, in dem es keine Verstrickung gibt.

Das sogenannte Prinzip der Monogamie funktioniert in der Quantenwelt. Es drückt sich in der Tatsache aus, dass wenn wir zwei ideal verschränkte Objekte haben, beide nicht die gleichen starken "unsichtbaren Verbindungen" mit anderen Objekten der umgebenden Welt haben können, wie untereinander.

Eugene Polzik, Professor am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und Leiter des internationalen Beirats des RCC. Foto: RCC
Eugene Polzik, Professor am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und Leiter des internationalen Beirats des RCC. Foto: RCC

Eugene Polzik, Professor am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und Leiter des internationalen Beirats des RCC. Foto: RCC.

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Zurück zur Frage der Quantenteleportation: Dies bedeutet im Prinzip, dass uns nichts daran hindert, ein Objekt von der Größe mindestens des gesamten Universums zu verwirren und zu teleportieren. In der Praxis wird es uns jedoch daran hindern, alle diese Verbindungen gleichzeitig zu sehen. Daher müssen wir Makroobjekte vom Rest der Welt isolieren, wenn wir solche Experimente durchführen, und ihnen erlauben, nur mit den "notwendigen" Objekten zu interagieren.

In unseren Experimenten war dies beispielsweise für eine Wolke mit Billionen Atomen möglich, da sie sich in einem Vakuum befanden und in einer speziellen Falle gehalten wurden, die sie von der Außenwelt isolierte. Diese Kameras wurden übrigens in Russland entwickelt - im Labor von Mikhail Balabas an der St. Petersburg State University.

Später machten wir Experimente mit größeren Objekten, die mit bloßem Auge gesehen werden können. Und jetzt führen wir ein Experiment zur Teleportation von Schwingungen durch, die in dünnen Membranen aus Millimeter für Millimeter dielektrischen Materialien auftreten.

Andererseits interessiere ich mich persönlich mehr für andere Bereiche der Quantenphysik, in denen meines Erachtens in naher Zukunft echte Durchbrüche stattfinden werden. Sie werden auf jeden Fall alle überraschen.

Wo genau?

- Wir alle wissen genau, dass die Quantenmechanik es uns nicht erlaubt, alles zu wissen, was in der Welt um uns herum geschieht. Aufgrund des Heisenbergschen Unsicherheitsprinzips können wir nicht alle Eigenschaften von Objekten gleichzeitig mit der höchstmöglichen Genauigkeit messen. In diesem Fall wird die Teleportation zu einem Werkzeug, mit dem wir diese Einschränkung umgehen können und nicht teilweise Informationen über den Zustand des Objekts übertragen, sondern das gesamte Objekt selbst.

Dieselben Gesetze der Quantenwelt hindern uns daran, die Bewegungsbahn von Atomen, Elektronen und anderen Teilchen genau zu messen, da entweder die genaue Geschwindigkeit ihrer Bewegung oder ihre Position ermittelt werden kann. In der Praxis bedeutet dies, dass die Genauigkeit aller Arten von Druck-, Bewegungs- und Beschleunigungssensoren durch die Quantenmechanik streng begrenzt ist.

Kürzlich haben wir festgestellt, dass dies nicht immer der Fall ist: Es hängt alles davon ab, was wir unter "Geschwindigkeit" und "Position" verstehen. Wenn wir beispielsweise bei solchen Messungen keine klassischen Koordinatensysteme verwenden, sondern deren Quantengegenstücke, verschwinden diese Probleme.

Mit anderen Worten, im klassischen System versuchen wir, die Position eines bestimmten Partikels relativ zu einem Tisch, Stuhl oder einem anderen Bezugspunkt zu bestimmen. In einem Quantenkoordinatensystem ist die Null ein weiteres Quantenobjekt, mit dem das für uns interessante System interagiert.

Es stellte sich heraus, dass die Quantenmechanik es ermöglicht, beide Parameter - sowohl die Bewegungsgeschwindigkeit als auch die Flugbahn - mit unendlich hoher Genauigkeit für eine bestimmte Kombination von Eigenschaften des Referenzpunkts zu messen. Was ist diese Kombination? Eine Wolke von Atomen, die als Null des Quantenkoordinatensystems dient, muss eine effektive negative Masse haben.

Tatsächlich haben diese Atome natürlich keine "Gewichtsprobleme", aber sie verhalten sich so, als hätten sie eine negative Masse, da sie sich in besonderer Weise relativ zueinander befinden und sich in einem speziellen Magnetfeld befinden. In unserem Fall führt dies dazu, dass die Beschleunigung des Teilchens abnimmt, aber seine Energie nicht erhöht, was aus Sicht der klassischen Kernphysik absurd ist.

Dies hilft uns, die zufälligen Änderungen der Position von Partikeln oder ihrer Bewegungsgeschwindigkeit zu beseitigen, die auftreten, wenn wir ihre Eigenschaften mit Lasern oder anderen Photonenquellen messen. Wenn wir eine Wolke von Atomen mit "negativer Masse" in den Weg dieses Strahls legen, interagiert sie zuerst mit ihnen, fliegt dann durch das untersuchte Objekt, diese zufälligen Störungen eliminieren sich gegenseitig und wir können alle Parameter mit unendlich hoher Genauigkeit messen.

All dies ist alles andere als theoretisch - vor einigen Monaten haben wir diese Ideen bereits experimentell getestet und das Ergebnis in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Gibt es dafür praktische Anwendungen?

- Vor einem Jahr habe ich bereits in Moskau gesagt, dass ein ähnliches Prinzip der "Beseitigung" der Quantenunsicherheit angewendet werden kann, um die Genauigkeit der Arbeit von LIGO und anderen Gravitationsobservatorien zu verbessern.

Damals war es nur eine Idee, aber jetzt nimmt sie Gestalt an. Wir arbeiten zusammen mit einem der Pioniere der Quantenmessung und einem Teilnehmer am LIGO-Projekt, Professor Farid Khalili vom RCC und der Moskauer Staatsuniversität, an der Implementierung.

Natürlich geht es nicht darum, ein solches System auf dem Detektor selbst zu installieren - dies ist ein sehr komplizierter und zeitaufwändiger Prozess, und LIGO selbst hat Pläne, auf die wir einfach nicht eingehen können. Zum anderen interessieren sie sich bereits für unsere Ideen und sind bereit, uns weiter zuzuhören.

In jedem Fall müssen Sie zuerst einen funktionierenden Prototyp einer solchen Installation erstellen, der zeigt, dass wir die Messgenauigkeit, die durch das Heisenberg-Unsicherheitsprinzip und andere Gesetze der Quantenwelt vorgegeben ist, wirklich überschreiten können.

Wir werden die ersten Experimente dieser Art mit einem Zehn-Meter-Interferometer in Hannover durchführen, einer kleineren Kopie von LIGO. Wir bauen jetzt alle notwendigen Komponenten für dieses System zusammen, einschließlich eines Ständers, Lichtquellen und einer Atomwolke. Wenn wir Erfolg haben, werden uns unsere amerikanischen Kollegen sicher zuhören - es gibt noch keine anderen Möglichkeiten, die Quantengrenze zu umgehen.

Werden die Befürworter deterministischer Quantentheorien, die glauben, dass es in der Quantenwelt keine Chancen gibt, solche Experimente als Beweis für die Richtigkeit ihrer Ideen betrachten?

- Um ehrlich zu sein, ich weiß nicht, was sie darüber denken. Nächstes Jahr organisieren wir in Kopenhagen eine Konferenz über die Grenzen zwischen klassischer und Quantenphysik und ähnlichen philosophischen Fragen. Sie können teilnehmen, wenn sie ihre Vision dieses Problems vorstellen möchten.

Ich selbst halte mich an die klassische Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik und gebe zu, dass die Wellenfunktionen nicht in ihrer Größe begrenzt sind. Bisher sehen wir keine Anzeichen dafür, dass seine Bestimmungen irgendwo verletzt werden oder im Widerspruch zur Praxis stehen.

Labor für Quantenoptik am russischen Quantenzentrum. Foto: RCC
Labor für Quantenoptik am russischen Quantenzentrum. Foto: RCC

Labor für Quantenoptik am russischen Quantenzentrum. Foto: RCC.

In den letzten Jahren haben Physiker unzählige Tests der Bellschen Ungleichungen und des Einstein-Podolski-Rosen-Paradoxons durchgeführt, die die Möglichkeit völlig ausschließen, dass das Verhalten von Objekten auf Quantenebene durch einige versteckte Variablen oder andere Dinge außerhalb des Bereichs der klassischen Quantentheorie gesteuert werden kann.

Zum Beispiel gab es vor einigen Monaten ein weiteres Experiment, das alle möglichen "Löcher" in Bell'schen Gleichungen schloss, die von Befürwortern der Theorie der verborgenen Variablen verwendet wurden. Wir können nur, um Niels Bohr und Richard Feynman zu umschreiben, „halt die Klappe und experimentiere“: Es scheint mir, dass wir uns nur die Fragen stellen sollten, die durch Experimente beantwortet werden können.

Wenn wir zur Quantenteleportation zurückkehren - angesichts der von Ihnen beschriebenen Probleme: Wird sie in Quantencomputern, Kommunikationssatelliten und anderen Systemen Anwendung finden?

- Ich bin sicher, dass Quantentechnologien immer mehr in Kommunikationssysteme eindringen und schnell in unser tägliches Leben eintreten werden. Es ist noch nicht klar, wie genau - Informationen können beispielsweise sowohl durch Teleportation als auch über gewöhnliche Glasfaserleitungen unter Verwendung von Quantenschlüsselverteilungssystemen übertragen werden.

Ich glaube, dass das Quantengedächtnis nach einer Weile auch Realität werden wird. Zumindest müssen Repeater für Quantensignale und -systeme erstellt werden. Andererseits ist es schwierig vorherzusagen, wie und wann dies alles umgesetzt wird.

Früher oder später wird die Quantenteleportation nicht exotisch, sondern eine alltägliche Sache, die jeder nutzen kann. Natürlich ist es unwahrscheinlich, dass wir diesen Prozess sehen, aber die Ergebnisse seiner Arbeit, einschließlich sicherer Datenübertragungsnetze und Satellitenkommunikationssysteme, werden eine große Rolle in unserem Leben spielen.

Wie weit werden Quantentechnologien in andere Bereiche der Wissenschaft und des Lebens vordringen, die sich nicht auf IT oder Physik beziehen?

- Dies ist eine gute Frage, die noch schwieriger zu beantworten ist. Als die ersten Transistoren auftauchten, glaubten viele Wissenschaftler, dass sie nur in Hörgeräten Verwendung finden würden. Dies ist passiert, obwohl jetzt nur ein sehr kleiner Teil der Halbleiterbauelemente auf diese Weise verwendet wird.

Dennoch scheint es mir, dass ein Quantendurchbruch tatsächlich stattfinden wird, aber nicht überall. Beispielsweise erreichen alle Geräte und Geräte, die mit der Umgebung interagieren und deren Eigenschaften irgendwie messen, unweigerlich die bereits diskutierte Quantengrenze. Unsere Technologien helfen ihnen dabei, diese Grenze zu umgehen oder zumindest Störungen zu minimieren.

Darüber hinaus haben wir bereits eines dieser Probleme mit demselben Ansatz der „negativen Masse“gelöst und Quantenmagnetfeldsensoren verbessert. Solche Geräte können sehr spezifische biomedizinische Anwendungen finden - sie können verwendet werden, um die Arbeit von Herz und Gehirn zu überwachen und die Wahrscheinlichkeit eines Herzinfarkts und anderer Probleme zu bewerten.

Meine Kollegen vom RCC machen etwas Ähnliches. Jetzt diskutieren wir gemeinsam, was wir erreicht haben, und versuchen, unsere Ansätze zu kombinieren und etwas interessanteres zu erhalten.

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