Kwantummechanica is raar. De theorie, die de werking van kleine deeltjes en krachten beschrijft, maakte Albert Einstein berucht zo ongemakkelijk dat hij en zijn collega's in 1935 beweerden dat het onvolledig moest zijn - het was te "griezelig" om echt te zijn.
gerelateerde inhoud
- Wetenschappers vangen de kat van Schrödinger op camera
- Zeven eenvoudige manieren waarop we weten dat Einstein gelijk had (voorlopig)
- Weird Physics kan een onzichtbare kat zichtbaar maken
- Lockheed Martin heeft te gekke kwantumcomputers en is van plan ze daadwerkelijk te gebruiken
Het probleem is dat de kwantumfysica de logica van causaliteit, lokaliteit en realisme lijkt te trotseren. Je weet bijvoorbeeld dat de maan bestaat, zelfs als je er niet naar kijkt - dat is realisme. Oorzakelijk verband vertelt ons dat als u op een lichtschakelaar tikt, de lamp gaat branden. En dankzij een harde limiet op de snelheid van het licht, als je nu op een schakelaar tikt, kan het gerelateerde effect niet onmiddellijk op een miljoen lichtjaar afstand optreden, afhankelijk van de locatie. Deze principes vallen echter uiteen in het kwantumrijk. Misschien is het meest bekende voorbeeld kwantumverstrengeling, die zegt dat deeltjes aan weerszijden van het universum intrinsiek kunnen worden gekoppeld, zodat ze onmiddellijk informatie delen - een idee dat Einstein spotte.
Maar in 1964 bewees natuurkundige John Stewart Bell dat de kwantumfysica in feite een complete en werkbare theorie was. Zijn resultaten, nu de stelling van Bell genoemd, hebben effectief bewezen dat kwantumeigenschappen zoals verstrengeling even reëel zijn als de maan, en tegenwoordig worden de bizarre gedragingen van kwantumsystemen benut voor gebruik in een verscheidenheid aan praktijktoepassingen. Hier zijn vijf van de meest intrigerende:
Een strontiumklok, onthuld door NIST en JILA in januari, zal de komende 5 miljard jaar nauwkeurig blijven. (De Ye-groep en Brad Baxley, JILA) Ultra-nauwkeurige klokken
Betrouwbare tijdregistratie is meer dan alleen uw ochtendalarm. Klokken synchroniseren onze technologische wereld en houden zaken als aandelenmarkten en GPS-systemen op één lijn. Standaardklokken gebruiken de regelmatige oscillaties van fysieke objecten zoals pendels of kwartskristallen om hun 'teken' en 'tocks' te produceren. Tegenwoordig zijn de meest precieze klokken ter wereld, atoomklokken, in staat om principes van de kwantumtheorie te gebruiken om tijd te meten. Ze controleren de specifieke stralingsfrequentie die nodig is om elektronen tussen energieniveaus te laten springen. De quantum-logische klok van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) in Colorado verliest of wint elke seconde om de 3, 7 miljard jaar. En de NIST strontiumklok, eerder dit jaar onthuld, zal 5 miljard jaar zo nauwkeurig zijn - langer dan de huidige leeftijd van de aarde. Dergelijke supergevoelige atoomklokken helpen bij GPS-navigatie, telecommunicatie en landmeetkunde.
De precisie van atoomklokken hangt gedeeltelijk af van het aantal gebruikte atomen. Elk atoom wordt in een vacuümkamer bewaard en meet onafhankelijk de tijd en houdt de willekeurige lokale verschillen tussen zichzelf en zijn buren in de gaten. Als wetenschappers 100 keer meer atomen in een atoomklok proppen, wordt het 10 keer nauwkeuriger - maar er is een limiet aan hoeveel atomen je erin kunt persen. Het volgende grote doel van onderzoekers is om met succes verstrengeling te gebruiken om de precisie te verbeteren. Verwarde atomen zouden niet bezig zijn met lokale verschillen en zouden in plaats daarvan alleen het verstrijken van de tijd meten en ze effectief samenbrengen als een enkele slinger. Dat betekent dat het toevoegen van 100 keer meer atomen aan een verwarde klok hem 100 keer preciezer zou maken. Verwarde klokken kunnen zelfs worden gekoppeld om een wereldwijd netwerk te vormen dat tijd onafhankelijk van de locatie zou meten.
Waarnemers zullen het moeilijk hebben om kwantumcorrespondentie te hacken. (VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis) Onkraakbare codes
Traditionele cryptografie werkt met sleutels: een afzender gebruikt een sleutel om informatie te coderen en een ontvanger gebruikt een andere om het bericht te decoderen. Het is echter moeilijk om het risico van een afluisteraar te verwijderen en sleutels kunnen worden aangetast. Dit kan worden opgelost met behulp van mogelijk onbreekbare quantum key distribution (QKD). In QKD wordt informatie over de sleutel verzonden via fotonen die willekeurig zijn gepolariseerd. Dit beperkt het foton zodat het in slechts één vlak trilt, bijvoorbeeld op en neer of van links naar rechts. De ontvanger kan gepolariseerde filters gebruiken om de sleutel te ontcijferen en vervolgens een gekozen algoritme gebruiken om een bericht veilig te coderen. De geheime gegevens worden nog steeds verzonden via normale communicatiekanalen, maar niemand kan het bericht decoderen, tenzij ze de exacte kwantumsleutel hebben. Dat is lastig, omdat kwantumregels dicteren dat het "lezen" van de gepolariseerde fotonen hun status altijd zal veranderen, en elke poging tot afluisteren zal de communicators waarschuwen voor een inbreuk op de beveiliging.
Tegenwoordig gebruiken bedrijven zoals BBN Technologies, Toshiba en ID Quantique QKD om ultraveilige netwerken te ontwerpen. In 2007 probeerde Zwitserland een ID Quantique-product uit om tijdens een verkiezing een fraudebestendig stemsysteem te bieden. En de eerste bankoverschrijving met verstrengelde QKD vond plaats in Oostenrijk in 2004. Dit systeem belooft zeer veilig te zijn, omdat als de fotonen verstrengeld zijn, eventuele wijzigingen in hun kwantumstatus door interlopers onmiddellijk zichtbaar zouden zijn voor iedereen die de sleutellagers controleert deeltjes. Maar dit systeem werkt nog niet over grote afstanden. Tot nu toe zijn verstrengelde fotonen uitgezonden over een maximale afstand van ongeveer 88 mijl.
Close-up van een D-Wave One-computerchip. (D-Wave Systems, Inc.) Super krachtige computers
Een standaardcomputer codeert informatie als een reeks binaire cijfers of bits. Quantumcomputers laden de verwerkingscapaciteit op omdat ze kwantumbits of qubits gebruiken, die in een superpositie van toestanden bestaan - totdat ze worden gemeten, kunnen qubits zowel "1" als "0" tegelijkertijd zijn.
Dit veld is nog in ontwikkeling, maar er zijn stappen in de goede richting gezet. In 2011 onthulde D-Wave Systems de D-Wave One, een 128-qubit processor, een jaar later gevolgd door de 512-qubit D-Wave Two. Het bedrijf zegt dat dit 's werelds eerste commercieel beschikbare kwantumcomputers zijn. Aan deze claim is echter scepsis gesteld, deels omdat het nog steeds onduidelijk is of de qubits van D-Wave verstrikt zijn. Studies die in mei zijn gepubliceerd, hebben aanwijzingen gevonden voor verstrengeling, maar slechts in een kleine subset van de qubits van de computer. Er is ook onzekerheid over de vraag of de chips een betrouwbare kwantumsnelheid vertonen. Toch hebben NASA en Google de handen ineen geslagen om het Quantum Artificial Intelligence Lab te vormen op basis van een D-Wave Two. En wetenschappers van de Universiteit van Bristol hebben vorig jaar een van hun traditionele quantumchips op internet aangesloten, zodat iedereen met een webbrowser kwantumcodering kan leren.
Verstrikking scherp in de gaten houden. (Ono et al., Arxiv.org) Verbeterde microscopen
In februari ontwikkelde een team van onderzoekers van de Japanse Hokkaido University 's werelds eerste verstrengeling-versterkte microscoop, met behulp van een techniek die bekend staat als differentiële interferentiecontrastmicroscopie. Dit type microscoop vuurt twee stralen fotonen op een stof af en meet het interferentiepatroon dat door de gereflecteerde stralen wordt gecreëerd - het patroon verandert afhankelijk van of ze een vlak of oneffen oppervlak raken. Het gebruik van verstrengelde fotonen verhoogt de hoeveelheid informatie die de microscoop kan verzamelen aanzienlijk, omdat het meten van een verstrengeld foton informatie geeft over zijn partner.
Het Hokkaido-team slaagde erin om een gegraveerde "Q" af te beelden die slechts 17 nanometer boven de achtergrond stond met een ongekende scherpte. Soortgelijke technieken kunnen worden gebruikt om de resolutie van astronomietools, interferometers genaamd, te verbeteren, die verschillende lichtgolven op elkaar leggen om hun eigenschappen beter te analyseren. Interferometers worden gebruikt in de jacht op extrasolaire planeten, om nabijgelegen sterren te onderzoeken en om rimpelingen in ruimtetijd te zoeken die zwaartekrachtsgolven worden genoemd.
De Europese Robin kan een kwantumnatuurlijk zijn. (Andrew Parkinson / Corbis) Biologische kompassen
Niet alleen mensen maken gebruik van kwantummechanica. Een toonaangevende theorie suggereert dat vogels zoals de Europese Robin de griezelige actie gebruiken om op het goede spoor te blijven wanneer ze migreren. De methode omvat een lichtgevoelig eiwit dat cryptochroom wordt genoemd en dat verstrengelde elektronen kan bevatten. Terwijl fotonen het oog binnenkomen, raken ze de cryptochrome moleculen en kunnen voldoende energie leveren om ze uit elkaar te halen, waardoor twee reactieve moleculen of radicalen worden gevormd met ongepaarde maar nog steeds verwarde elektronen. Het magnetische veld rond de vogel beïnvloedt hoe lang deze cryptochrome radicalen meegaan. Men denkt dat cellen in het netvlies van de vogel zeer gevoelig zijn voor de aanwezigheid van de verwarde radicalen, waardoor de dieren een magnetische kaart op basis van de moleculen effectief kunnen 'zien'.
Dit proces wordt echter niet volledig begrepen en er is een andere optie: de magnetische gevoeligheid van vogels kan te wijten zijn aan kleine kristallen van magnetische mineralen in hun snavels. Maar toch, als verstrengeling echt in het spel is, suggereren experimenten dat de delicate toestand in vogelvlucht veel langer moet duren dan in zelfs de beste kunstmatige systemen. Het magnetische kompas kan ook van toepassing zijn op bepaalde hagedissen, schaaldieren, insecten en zelfs sommige zoogdieren. Een vorm van cryptochroom die bijvoorbeeld wordt gebruikt voor magnetische navigatie bij vliegen is ook in het menselijk oog gevonden, hoewel het onduidelijk is of het ooit nuttig was voor een soortgelijk doel.
