Fyzici dokazují, že imaginární část kvantové mechaniky skutečně existuje!

Mezinárodní výzkumný tým prokázal, že imaginární část kvantové mechaniky lze vidět v akci v reálném světě.

Fyziky už téměř století fascinuje základní otázka: proč jsou v kvantové mechanice tak důležitá komplexní čísla, tedy čísla, která obsahují komponentu s imaginárním číslem i? Obvykle se o nich myslelo, že jsou pouze matematickým trikem, který usnadňuje popis jevů, a pouze výsledky vyjádřené v reálných číslech mají fyzický význam. Polsko-čínsko-kanadský výzkumný tým však prokázal, že imaginární část kvantové mechaniky lze pozorovat v akci v reálném světě.

Musíme výrazně rekonstruovat naše naivní představy o schopnosti čísel popsat fyzický svět. Zatím se zdálo, že pouze reálná čísla souvisejí s měřitelnými fyzikálními veličinami. Vyšetřování týmu Dr. Alexander Streltsov z Centra kvantových optických technologií (QOT) Varšavské univerzity za účasti vědců z University of Science and Technology of China (USTC) v Hefei a University of Calgary zjistil kvantové stavy zapletených fotonů, které nelze rozlišovat, aniž by se díval na složitá čísla, na která by se mohl vrátit. Kromě toho vědci provedli experiment, který potvrdil význam komplexních čísel pro kvantovou mechaniku. Články popisující teorii a měření se právě objevily v časopisech Dopisy o fyzickém vyšetření a Fyzikální vyšetření A..

Fotony Kvantová mechanika Složitá čísla

Fotony mohou být tak zapojeny, že jejich stavy nelze popsat v kvantové mechanice bez použití komplexních čísel. Zápočet: QOT / jch

“Ve fyzice byla komplexní čísla považována za čistě matematická.” Je pravda, že zatímco hrají zásadní roli v kvantově mechanických rovnicích, bylo s nimi zacházeno jednoduše jako s nástrojem, který fyzikům usnadní výpočty. Teoreticky a experimentálně jsme prokázali, že existují kvantové stavy, které lze odlišit, pouze pokud jsou výpočty prováděny s nepostradatelným zapojením komplexních čísel, “vysvětluje Dr. Streltsov.

Složitá čísla mají dvě složky, skutečnou a imaginární. Jsou ve tvaru a + bi, kde čísla a a b jsou reálná. Složka Bi odpovídá za specifické vlastnosti komplexních čísel. Klíčovou roli zde hraje imaginární číslo i, tj. Druhá odmocnina -1.

Ve fyzickém světě není nic, co by mohlo přímo souviset s číslem i. Pokud jsou na stole 2 nebo 3 jablka, je to přirozené. Pokud vezmeme jablko, můžeme mluvit o fyzické vadě a popsat ji záporným celým číslem -1. Můžeme rozříznout jablko na dvě nebo tři části a získat fyzické ekvivalenty racionálních čísel 1/2 nebo 1/3. Pokud je stůl dokonalým čtvercem, jeho úhlopříčka je (iracionální) druhá odmocnina dvojnásobku délky strany. Zároveň s nejlepší vůlí na světě je stále nemožné dát jablka na stůl.

Fotonový zdroj pro generování kvantových stavů

Zdroj fotonů použitý k vytvoření kvantových stavů, jejichž popis vyžaduje komplexní čísla. Fotografický kredit: USTC

Překvapivá kariéra komplexních čísel ve fyzice souvisí se skutečností, že je lze použít k popisu všech druhů vibrací mnohem pohodlněji než s populárními trigonometrickými funkcemi. Výpočty se proto provádějí na komplexních číslech a nakonec se v nich zohlední pouze reálná čísla.

Ve srovnání s jinými fyzikálními teoriemi je kvantová mechanika speciální, protože musí popisovat objekty, které se za určitých podmínek mohou chovat jako částice a za jiných jako vlny. Základní rovnicí této teorie, která je brána jako postulát, je Schrödingerova rovnice. Popisuje časové změny určité funkce, zvané vlnová funkce, která souvisí s distribucí pravděpodobnosti, když je systém nalezen v určitém stavu. Avšak imaginární číslo i se otevřeně objevuje vedle vlnové funkce ve Schrödingerově rovnici.

“Po celá desetiletí se vedla debata o tom, zda je možné vytvořit koherentní a úplnou kvantovou mechaniku pouze se skutečnými čísly.” Proto jsme se rozhodli najít kvantové stavy, které lze od sebe odlišit pouze pomocí komplexních čísel. Rozhodujícím okamžikem byl experiment, ve kterém jsme vytvořili tyto stavy a fyzicky zkontrolovali, zda jsou rozlišitelné nebo ne, “říká Dr. Streltsov, jehož výzkum byl financován Polskou vědeckou nadací.

Experiment ověřující roli komplexních čísel v kvantové mechanice lze představit ve formě hry, kterou Alice a Bob hrají za účasti mistra, který hru řídí. Pomocí zařízení s lasery a krystaly sváže herní mistr dva fotony v jednom ze dvou kvantových stavů, přičemž k jejich rozlišení je naprosto nezbytné složité číslo. Poté je jeden foton odeslán Alici a druhý Bobovi. Každý z nich měří svůj foton a poté komunikuje s druhým, aby vytvořil existující korelace.

“Předpokládejme, že výsledky měření Alice a Boba mohou mít pouze hodnoty 0 nebo 1.” Alice vidí nesmyslnou posloupnost nul a jedniček, stejně jako Bob. Když však komunikují, mohou navázat spojení mezi příslušnými měřeními. Pokud vám GM pošle korelovaný stav, pokud jeden uvidí výsledek 0, uvidí i druhý. Pokud dostanou antikorelační stav, když Alice měří 0, Bob má 1. Po vzájemné dohodě by Alice a Bob mohli odlišit naše státy, ale pouze v případě, že jejich kvantová podstata byla zásadně složitá, “říká Dr. Streltsov.

Pro teoretický popis byl použit přístup známý jako teorie kvantových zdrojů. Samotný experiment s lokální diferenciací mezi zapletenými stavy dvou fotonů byl proveden v laboratoři v Hefei za použití technik lineární optiky. Bylo zjištěno, že kvantové stavy vytvořené vědci jsou rozlišitelné, což dokazuje, že komplexní čísla jsou nedílnou, nesmazatelnou součástí kvantové mechaniky.

Úspěch polsko-čínsko-kanadského výzkumného týmu je zásadní, ale tak hluboký, že se může promítnout do nových kvantových technologií. Zejména zkoumání role komplexních čísel v kvantové mechanice může pomoci lépe porozumět zdrojům efektivity kvantových počítačů, kvalitativně nových počítacích strojů, které mohou vyřešit některé problémy rychlostí, které u klasických počítačů nelze dosáhnout.

Reference:

„Teorie operativních zdrojů imaginarity“ Kang-Da Wu, Tulja Varun Kondra, Swapan Rana, Carlo Maria Scandolo, Guo-Yong Xiang, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo a Alexander Streltsov, 1. března 2021, Dopisy o fyzickém vyšetření.
DOI: 10,1103 / PhysRevLett.126.090401

„Teorie zdrojů imaginarity: kvantifikace a transformace státu“ Kang-Da Wu, Tulja Varun Kondra, Swapan Rana, Carlo Maria Scandolo, Guo-Yong Xiang, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo a Alexander Streltsov, 1. března 2021 , Fyzikální vyšetření A..
DOI: 10.1103 / PhysRevA.103.032401

Centrum pro kvantové optické technologie na Varšavské univerzitě (UW) je jednotkou programu mezinárodní výzkumné agendy realizovaného Polskou vědeckou nadací z prostředků operačního programu Inteligentní rozvoj. Jednotka sídlí v Centru pro nové technologie na Varšavské univerzitě. Oddělení zkoumá využití kvantových jevů, jako je kvantová superpozice nebo zapletení v optických technologiích. Tyto jevy mají potenciální aplikace v komunikacích, kde mohou zajistit bezpečnost přenosu dat, v zobrazování, kde pomáhají zlepšit rozlišení, a v metrologii pro zvýšení rozlišení přesnost měření. Centrum kvantových optických technologií na Varšavské univerzitě aktivně hledá příležitosti ke spolupráci s externími subjekty za účelem uplatnění výsledků výzkumu v praxi.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Výjimečná biologická rozmanitost ve 14,7 milionu let starém tropickém deštném pralese a osvětluje vývoj

Ekologická rekonstrukce bioty Zhangpu. Obrazový kredit: NIGPAS Nově objevený miocénní biom osvětluje vývoj deštného pralesa Mezinárodní výzkumná skupina vedená profesorem WANG Bo a profesorem SHI...

Newsletter

Subscribe to stay updated.