Wyimaginowana część mechaniki kwantowej naprawdę istnieje

Powszechnie w to wierzono Liczby zespolone, tj. te, które zawierają składową liczby urojonej i (i do kwadratu daje minus jeden) to tylko matematyczna sztuczka. Jednak polsko-chińsko-kanadyjski zespół naukowców udowodnił, że urojona część Mechanika kwantowa można zobaczyć w akcji w prawdziwym świecie - relacjonuje Centrum Nowych Technologii UW.

Nasze intuicyjne koncepcje dotyczące zdolności liczb do opisywania świata fizycznego wymagają znacznych zmian. Do tej pory wydawało się, że tylko liczby rzeczywiste były powiązane z mierzalnymi wielkościami fizycznymi. Jednak to się udało Stany kwantowe z splątane fotony stwierdzenie, że nie można tego rozróżnić bez uciekania się do liczb zespolonych. Ponadto naukowcy przeprowadzili eksperyment, który określił znaczenie liczb zespolonych dla Mechanika kwantowa potwierdzone

Źródło obrazu: Pixabay

Badania zostały przeprowadzone przez zespół dr. Alexander Streltsov z Centrum Kwantowych Technologii Optycznych (QOT) Uniwersytetu Warszawskiego z udziałem naukowców z University of Science and Technology of China (USTC) w Hefei oraz University of Calgary (UCalgary). Artykuły opisujące teorię i pomiary znajdują się w Physical Review Letters i Przegląd fizyczny A pojawiła.

W fizyce uważano, że liczby zespolone mają charakter czysto matematyczny. Chociaż odgrywają fundamentalną rolę w równaniach Mechanika kwantowa play, traktowano je tylko jako narzędzie, coś, co ułatwiało obliczenia fizykom. Udowodniliśmy teoretycznie i eksperymentalnie, że tak Stany kwantowe tam tylko pod nieodzownym udziałem Liczby zespolone można odróżnić ”- komentuje dr Streltsov.
Liczby złożone składają się z dwóch składników, rzeczywistej i urojonej. Mają postać a + bi, gdzie a i b są rzeczywiste. Składnik bi odpowiada za specyficzne właściwości liczb zespolonych. Kluczową rolę odgrywa liczba urojona i. Liczba i to pierwiastek kwadratowy z -1 (więc gdybyśmy to podnieśli do kwadratu, otrzymalibyśmy minus jeden).

W świecie fizycznym trudno sobie wyobrazić cokolwiek, co mogłoby być bezpośrednio związane z liczbą i. Na stole mogą znajdować się 2 lub 3 jabłka, to normalne. Jeśli odbierzemy jabłko, możemy mówić o wadzie fizycznej i opisać ją za pomocą ujemnej liczby całkowitej -1. Możemy pokroić jabłko na dwie lub trzy części iw ten sposób otrzymać fizyczne odpowiedniki mierzalnych liczb 1/2 lub 1/3. Gdyby stół był idealnym kwadratem, jego przekątny (niewymierny) pierwiastek kwadratowy z liczby 2 byłby dłuższy niż jego bok. Jednocześnie, pomimo najszczerszych intencji, nie można umieścić jabłek w liczbie i na stole.

Zaskakująca kariera liczb zespolonych w fizyce wiąże się z tym, że przy ich pomocy powstają wszelkiego rodzaju wibracje Można je opisać znacznie wygodniej niż za pomocą typowych funkcji trygonometrycznych. Obliczenia są zatem przeprowadzane na liczbach złożonych i na końcu brane są pod uwagę tylko liczby rzeczywiste, które się w nich pojawiają.

W porównaniu z innymi teoriami fizycznymi Mechanika kwantowa coś specjalnego, ponieważ musi opisywać obiekty, które w pewnych warunkach mogą zachowywać się jak cząsteczki, aw innych jak fale. Podstawowym równaniem tej teorii, które przyjmuje się jako postulat, jest równanie Schrödingera. Opisuje zmiany w czasie określonej funkcji, tzw. Funkcji falowej, która jest powiązana z Rozkład prawdopodobieństwaznalezienie systemu w tym lub innym stanie jest powiązane. w Równanie Schrödingera jednak istnieje wyraźna liczba urojona i tuż obok funkcji falowej.
Od dziesięcioleci toczy się debata na temat tego, czy być konsekwentnym i kompletnym Mechanika kwantowa można wygenerować za pomocą samych liczb rzeczywistych. Dlatego zdecydowaliśmy Stany kwantowe które można rozróżnić tylko za pomocą liczb zespolonych. Przełomowym momentem był eksperyment, w którym stworzyliśmy te stany i fizycznie sprawdziliśmy, czy można je rozróżnić, czy nie - mówi dr Streltsov, którego badania sfinansowała Fundacja Nauki Polskiej.

Eksperyment, który odegrał rolę liczby zespolone w mechanice kwantowej zweryfikowana, może być przedstawiona w formie gry pomiędzy Alicją i Bobem z udziałem mistrza gry. Za pomocą urządzenia z laserami i kryształami mistrz gry wiąże dwa fotony w jeden z dwóch Stany kwantowektórych rozróżnienie z konieczności wymaga użycia liczb zespolonych. Następnie wysyła Foton Alice, a druga Bobowi. Każdy z nich mierzy swój foton, a następnie komunikuje się ze sobą, aby określić istniejące korelacje.

Załóżmy, że pomiary Alicji i Boba mogą przyjmować tylko wartości 0 lub 1. Alicja widzi bezsensowną sekwencję zer i jedynek, jak Bob. Jednak kiedy się komunikują, mogą tworzyć połączenia między odpowiednimi pomiarami. Jeśli mistrz gry przesłał ci skorelowany stan, jeśli jeden zobaczy wynik 0, drugi też to zrobi. Jeśli posiadasz stan antyskorelowany otrzymane, Alicja mierzy 0, dla Boba będzie to 1. Za obopólną zgodą Alicja i Bob mogli rozróżnić nasze stany, ale tylko wtedy, gdy są ich Natura kwantowa jest zasadniczo złożona, mówi dr. Streltsov.
Do opisu teoretycznego zastosowano podejście o nazwie Teoria zasobów kwantowych jest znana. Sam eksperyment z lokalnym zróżnicowaniem od splątanego Stany dwufotonowe przeprowadzono w laboratorium w Hefei przy użyciu technik optyki liniowej. Przygotowane przez badaczy stany kwantowe okazały się rozróżnialne, co dowodzi, że liczby zespolone są integralną, nierozróżnialną częścią mechaniki kwantowej.
Osiągnięcie polsko-chińsko-kanadyjskiego zespołu badawczego jest fundamentalne, ale na tyle głębokie, że można je przełożyć na nowe Technologie kwantowe mógł powalić. W szczególności zbadanie roli liczb zespolonych w Mechanika kwantowa może pomóc w ograniczeniu źródeł wydajności Komputery kwantowe Aby lepiej zrozumieć jakościowo nowe maszyny liczące, które mogą rozwiązać pewne problemy z prędkościami nieosiągalnymi dla klasycznych komputerów, zgodnie z zapowiedzią.