کوانتومی: آنچه در آن است به چه معناست و چگونه آن را اعمال می شود?

فیزیکدان نظری ریچارد فاینمن معروف گفت: "اگر شما فکر می کنم شما را در درک مکانیک کوانتومی شما را درک نمی کنند مکانیک کوانتومی." برای بسیاری از افراد مشغول به کار در این زمینه است که هنوز هم صادق است امروز.

کوانتومی علوم هنوز هم عمدتا نوپای زمینه های with محوری گسترش تحقیقات دانشمندان در درک جهان در یک سطح است. وجود دارد کوانتومی خواص به بسیاری از مقادیر و فرآیندهای ما را در ما روز به روز زندگی می کند, از جمله نور و فتوسنتز و نیز وجود دارد به مراتب تخصصی تر اهداف برای مطالعه این زمینه مانند محاسبات کوانتومی.

"شما می توانید کار کردن در آنچه که شما فکر می کنم زمینه های مختلف ... و کار بر روی پدیده های مختلف گفت:" K. Birgitta Whaley یک دانشگاه استاد شیمی و مدیر برکلی اطلاعات کوانتومی و محاسبات مرکز. "شما پیدا کنید که همه آنها کاملا مرتبط زیر."

منشاء کوانتومی: آنچه در آن به معنی

به عنوان کوچکترین جزء یک موجودیت فیزیکی کوانتومی نمی تواند شکسته شود هر بیشتر. کوانتوم به جمع کوانتومی به تفکیک — کوچکترین بلوک های ساختمان.

آشنایی با تعریف این کلمه متکی بر توسعه دانشمندان درک فیزیک است. با توجه به کسری Nowrouzi یک محقق فوق دکترا در لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی فیزیک در اصل برای مطابقت با عقل سلیم و تنها اندازه گیری استفاده شد کسانی که در مقیاس است که می تواند مورد استفاده در زندگی روزانه ما است. به عنوان انسان به تکنولوژی پیشرفته دانشمندان به دست آورد توانایی دیدن جهان در راه های مختلف و در بر داشت که گاهی اوقات طبیعت رفتار متفاوت در سطوح کوچکتر.

Nowrouzi توضیح داد این طریق به عنوان مثال از دانشمندان درک نور است.

"نور هر دو موج مانند و ذره مانند خواص" Nowrouzi گفت: در یک ایمیل. "چه چیزی به ارمغان می آورد و این دو با هم است 'کوانتومی' نور: کوچک (انرژی), تفکیک ذرات همچنین شناخته شده به عنوان " فوتون.' "

او اضافه کرد که این می تواند مورد استفاده قرار گیرد به توضیح است که رنگ را تعیین طول موج. فوتون که کوچکترین جزء و در نتیجه کوانتوم های نور در یک طول موج است که دیکته رنگ انسان درک نور می شود.

با توجه به Nowrouzi کشف که نور ساخته شده است تا از کوانتوم منجر به فیزیکدانان متوجه می شوند که دیگر مقادیر فیزیکی نیز ساخته شده تا از کوانتوم است. تحقق این موجب ایجاد زمینه مکانیک کوانتومی شاخهای از علم فیزیک اختصاص داده شده به توضیح و پیش بینی رفتار این مقادیر در مقیاس کوچک.

استفاده از مکانیک کوانتومی به زمینه های دیگر است چه آشنایی آنها پیشوند "کوانتوم." در UC برکلی این افراد شامل اطلاعات کوانتومی علم و کوانتومی زیست شناسی.

کار با رایانه: علم اطلاعات کوانتومی

کوانتومی, علم اطلاعات مربوط به نحوه اطلاعات است درمان با استفاده از qubits در هنگام کار با رایانه است.

کلاسیک کامپیوتر — مانند کامپیوتر استفاده از مردم در روز-به-روز — رمزگذاری اطلاعات در متحده به نام "بیت است." با توجه به Nowrouzi این بیت نگه داشتن ارزش یا صفر یا یک و اطلاعات پردازش شده گام به گام یا با تغییر مقدار کمی و یا ترک آن را به عنوان است. این است که چگونه یک کامپیوتر کدهای.

این کيوبيت همچنین کد اطلاعات. بر خلاف یک بیت آن را ندارد یک صفر یا یک; بلکه آن را می توانید نگه دارید هر دو به طور همزمان. این مفهوم به نام برهم نهی و آن را اشاره به کيوبيت توانایی به نگه داشتن هر دو ارزش در همان زمان قبل از آن اندازه گیری می شود. قبل از آزمایش یک دانشمند را نمی خواهد می دانم برای مطمئن شوید که آیا یک کيوبيت اندازه گیری خواهد شد به عنوان یک صفر یا یک است.

"این رفتار آماری به نظر می رسد مشخصه رفتار طبیعت در مقیاسهای کوچک و نه فقط یک نقطه ضعفی در ما دانش" Nowrouzi گفت: در ایمیل. "دقیق نتیجه به نظر می رسد نه تنها ناشناخته اما ناشناخته."

این qubits نیز می تواند گرفتار. گرفتاری این است که این ایده است که دانشمندان می توانند یاد بگیرند که چیزی حدود یک ذره با اندازه گیری رفتار دیگری ذرات بدون در نظر گرفتن فاصله بین آنها.

Nowrouzi به عنوان مثال از پرتاب یک توپ در یک مانع است. برای هر پرتاب فرد پرتاب توپ می تواند پیش بینی کند که چگونه آن را حرکت خواهد کرد و جایی که از آن خواهد شد. هنگامی که به دنبال در بسیار چیزهای کوچک مانند ذرات دانشمندان نمی خواهد می دانم که اگر "توپ" است که نشان دهنده یک کوانتومی آن را از طریق این سد است.

"در حال حاضر اگر چه ما نمی دانیم که اگر ما توپ را بیش از این مانع جلوتر از زمان تصور کنید اگر ما می تواند آن را لمس به توپ دیگر و در آن لحظه جادویی آن را به طوری که هنگامی که دو توپ پرتاب شده در سد بعد فقط یکی از آنها آن را از طریق" Nowrouzi گفت: در ایمیل. "از آنجا که آنها شده اند با 'برند' ما می توانیم استنباط با یقین یا نه توپ دیگر آن را از طریق با رعایت اگر توپ ما ساخته است."

درگیری qubits مفید است به عنوان یکی می توانید ذخیره اطلاعات در ارتباط بین qubits. بنابراین تعداد معینی از qubits می توانید در نگاه بزرگتر محاسباتی فضا از مقدار معادل کلاسیک بیت می تواند.

این اجازه می دهد تا برای کامپیوترهای کوانتومی — کامپیوتر ساخته شده است که برای پردازش اطلاعات این راه — نگاهی به انواع خاصی از مشکلات است که می تواند زمان بسیار طولانی برای, کلاسیک, کامپیوتر, که 32 بیتی یا 64 بیتی پردازنده برای اجرای. با توجه به Nowrouzi وجود انواع مشکلات که ابر رایانه ها سال به حل اما کامپیوترهای کوانتومی با عنوان چند به عنوان صدها نفر از qubits فقط چند دقیقه را حل کند.

در حال حاضر هیچ گونه کامپیوتر کوانتومی وجود دارد. موجود در کامپیوترهای کوانتومی را ده qubits و با توجه به Nowrouzi آن را در بسیاری از سال به حداکثر رساندن کامپیوترهای کوانتومی' بالقوه است.

محققان برکلی آزمایشگاه کوانتومی پیشرفته Testbed در حال تلاش برای ساخت یک بهتر کوانتومی کامپیوتر. این محققان کار با همکاران از دیگر ملی آزمایشگاه های دانشگاه و حتی صنعت to توسعه پردازنده های کوانتومی و ارزیابی عملکرد خود را.

Debayan Bandyopadhyay دانشجویی تسهیل "مقدمه به محاسبات کوانتومی عکس برگردان" گفت که او معتقد است که در حالی که محاسبات کوانتومی مفید است برای حل انواع خاصی از مشکلات مهم است که به یاد داشته باشید تفاوت بین استفاده از یک کامپیوتر کلاسیک و کسانی که از یک کامپیوتر کوانتومی.

"چیزی که به اشاره است که کامپیوترهای کوانتومی را جایگزین کامپیوتر ها به طور منظم در روز به روز وظایف به خاطر آن به درد نمیخورد به طور منظم انجام چیزهای با آن" Bandyopadhyay گفت.

در سال 1998 Whaley استدلال که وجود دارد decoherence-رایگان subspaces — کوانتومی فضاهایی هستند که سیستم ایمنی بدن به اختلالات از محیط زیست است. حتی اگر کامپیوترهای کوانتومی در حال نگهداری در دماهای بسیار پایین, همیشه وجود دارد متغیرهای تعامل با qubits در راه است که دانشمندان نمی تواند کنترل کند. این ناخواسته دخالت تنزل کوانتومی سیستم و اطلاعات از دست داده است و به محیط زیست است. این مورد است اما برای سوپر-فضاهای محصور که در آن هیچ چیز نمی تواند ارتباط برقرار کردن با qubits.

Whaley کشف کردند که با رمزگذاری اطلاعات به ویژه این کشور که سیستم ایمنی بدن به این دخالت محققان غلبه بر تخریب مشکل است.

درک طبیعت: زیست شناسی کوانتومی

کوانتومی زیست شناسی زمینه های دیگری است که با بهره گیری از مکانیک کوانتومی. با توجه به Whaley, که با این نسخهها کار در این زمینه واکنش در یک سیستم بیولوژیکی در سطح مولکولی تعریف شده توسط الکترون ها که کوانتوم است.

"آنچه ما در حال پدیده های خاص در سطح مولکولی که در آن وجود دارد منحصر به فرد اثرات کوانتومی," Whaley گفت.

پردیس Whaley گروه در حال حاضر در حال انجام تحقیقات در دانشگاه برکلی شیمی استاد گراهام فلمینگ کشف مکانیک کوانتومی اثر دخیل در فتوسنتز است. اساسا یک برگ می شود انرژی از نور خورشید با جذب فوتون و تبدیل آنها به الکترون غیر منتظره ای با راندمان بالا.

این Whaley گروه در حال مطالعه این پدیده با استفاده از کوانتوم نور است. کوانتومی نور تولید شده توسط ساطع بسته های کوچک از نور که مربوط به یک تک فوتون و سپس با استفاده از یک فوتون به عنوان یک تایمر برای دیدن هنگامی که دیگر جذب می شود به یک برگ.

"این بسیار پیچیده شمارش آزمایش" Whaley گفت. "ما فقط شمارش تعداد فوتون در داخل و خارج برای پیدا کردن چیزی در مورد بهره وری از tranception انرژی از نور به الکترون و بنابراین ما در حال انجام این کار یک فوتون در یک زمان."

چگونه به درگیر

راه های بسیاری وجود دارد برای دانش آموزان درگیر در کوانتوم علوم در محوطه دانشگاه. چندین فیزیک کلاس ها و علوم رایانه کلاس و همچنین به عنوان "مقدمه ای برای محاسبات کوانتومی عکس برگردان." دانش آموزان همچنین می توانید دانشجو-اجرای سازمان هایی مانند محاسبات کوانتومی در برکلی که اجازه می دهد تا دانش آموزان به خواندن محاسبات کوانتومی مقالات پژوهشی با یک گروه و تکمیل پروژه است.

جیمز Sud, پروژه منجر به محاسبات کوانتومی در برکلی گفت که او معتقد است بسیاری از ارزش برای همه دانش آموزان حتی کسانی که نه در علم و تکنولوژی و مهندسی یا ریاضی زمینه به بررسی زمینه های ظهور کوانتومی علوم است.

"یادگیری در مورد مکانیک کوانتومی است فقط یک چیز جالب و فلسفی مفاهیم" Sud گفت. "این قطعا یک واقعا پاداش زمینه است. ... هر چیزی که در گسترش ذهن خود را واقعا مهم است."

Megha کریشنان تحقیق و ایده های خبرنگار. او تماس بگیرید در [email protected] و او در توییتر دنبال کنید در @_meghakrishnan_.