Fåglar

Fem praktiska användningsområden för 'skrämmande' kvantmekanik | Vetenskap

Kvantmekanik är konstig. Teorin, som beskriver arbetet med små partiklar och krafter, gjorde notoriskt Albert Einstein så orolig att 1935 hävdade han och hans kollegor att det måste vara ofullständigt - det var för spöklikt för att vara riktigt.

Problemet är att kvantfysik tycks trotsa sunt förnuft om kausalitet, lokalitet och realism. Till exempel vet du att månen existerar även när du inte tittar på den - det är realism. Kausalitet berättar att om du snurrar på en ljusströmbrytare tänds lampan. Och tack vare en hård gräns för ljusets hastighet kan den relaterade effekten inte inträffa direkt en miljon ljusår bort beroende på lokalitet om du svänger på en strömbrytare nu. Dessa principer bryts dock ner i kvantområdet. Det kanske mest kända exemplet är kvantförtrassling, som säger att partiklar på motsatta sidor av universum kan kopplas ihop så att de delar information omedelbart - en idé som fick Einstein att håna.



Men 1964 bevisade fysikern John Stewart Bell att kvantfysik i själva verket var en komplett och fungerande teori. Hans resultat, nu kallade Bell's Theorem , visade effektivt att kvantegenskaper som intrassling är lika verkliga som månen, och idag utnyttjas kvantasystemets bisarra beteenden för användning i en mängd verkliga applikationer. Här är fem av de mest spännande:



En strontiumklocka, som presenterades av NIST och JILA i januari, kommer att hålla korrekt tid de närmaste 5 miljarder åren.

En strontiumklocka, som presenterades av NIST och JILA i januari, kommer att hålla korrekt tid de närmaste 5 miljarder åren.(Ye-gruppen och Brad Baxley, JILA)

Ultra-exakta klockor



Pålitlig tidtagning handlar om mer än bara ditt morgonlarm. Klockor synkroniserar vår tekniska värld och håller saker som aktiemarknader och GPS-system i linje. Standardur använder de vanliga svängningarna av fysiska föremål som pendlar eller kvartskristaller för att producera sina 'fästingar' och 'toks'. Idag kan de mest exakta klockorna i världen, atomur, använda principerna för kvantteori för att mäta tid. De övervakar den specifika strålningsfrekvens som behövs för att elektroner hoppar mellan energinivåerna. De kvant-logisk klocka vid US National Institute of Standards and Technology (NIST) i Colorado förlorar eller vinner bara en sekund var 3,7 miljarder år. Och NIST-strontiumklockan, presenterades tidigare i år , kommer att vara så exakt i 5 miljarder år - längre än jordens nuvarande ålder. Sådana superkänsliga atomur hjälper till med GPS-navigering, telekommunikation och kartläggning.

Atomurens precision är delvis beroende av antalet använda atomer. Förvaras i en vakuumkammare, varje atom mäter oberoende tid och håller ett öga på de slumpmässiga lokala skillnaderna mellan sig själv och sina grannar. Om forskare klämmer in 100 gånger fler atomer i en atomklocka blir det tio gånger mer exakt - men det finns en gräns för hur många atomer du kan pressa in. Forskarnas nästa stora mål är att framgångsrikt använda trassel för att öka precisionen. Intrasslade atomer skulle inte vara upptagna av lokala skillnader och skulle istället bara mäta tidens gång och effektivt föra dem samman som en enda pendel. Det innebär att lägga till 100 gånger fler atomer i en intrasslad klocka skulle göra det 100 gånger mer exakt. Intrassade klockor kan till och med länkas till en globalt nätverk som skulle mäta tid oberoende av plats.

Observatörer kommer att ha svårt att hacka in kvantkorrespondens.

Observatörer kommer att ha svårt att hacka in kvantkorrespondens.(VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis)



Okodningsbara koder

Traditionell kryptografi fungerar med nycklar: En avsändare använder en nyckel för att koda information, och en mottagare använder en annan för att avkoda meddelandet. Det är dock svårt att ta bort risken för avlyssnare, och nycklarna kan äventyras. Detta kan åtgärdas med hjälp av potentiellt obrytbar kvantnyckelfördelning (QKD). I QKD skickas information om nyckeln via fotoner som har slumpmässigt polariserats. Detta begränsar foton så att det bara vibrerar i ett plan - till exempel upp och ner eller från vänster till höger. Mottagaren kan använda polariserade filter för att dechiffrera nyckeln och sedan använda en vald algoritm för att säkert kryptera ett meddelande. De hemliga uppgifterna skickas fortfarande över vanliga kommunikationskanaler, men ingen kan avkoda meddelandet om de inte har exakt kvantnyckel. Det är knepigt, eftersom kvantreglerna dikterar att 'läsning' av de polariserade fotonerna alltid kommer att förändra deras tillstånd, och varje försök till avlyssning kommer att varna kommunikatörerna om ett säkerhetsbrott.

Idag företag som BBN Technologies , Toshiba och Kvant-ID använda QKD för att designa extrasäkra nätverk. 2007 testade Schweiz en ID Quantique-produkt för att tillhandahålla en manipuleringssäkert röstsystem under ett val. Och den första banköverföring med intrasslad QKD fortsatte i Österrike 2004. Detta system lovar att vara mycket säkert, för om fotonerna trasslar in skulle alla förändringar i deras kvanttillstånd som gjorts av interlopers omedelbart uppenbara för alla som övervakar de nyckelbärande partiklarna. Men detta system fungerar ännu inte över stora avstånd. Hittills har intrasslade fotoner överförts över en maximalt avstånd på cirka 88 miles .

första kommersiella produkten som använder streckkod
Närbild av ett D-Wave One-datorchip.

Närbild av ett D-Wave One-datorchip.(D-Wave Systems, Inc.)

Super-kraftfulla datorer

En standarddator kodar information som en sträng med binära siffror eller bitar. Kvantdatorer överladdar processorkraft eftersom de använder kvantbitar, eller qubits, som finns i en överläge av tillstånd - tills de mäts kan qubits vara både '1' och '0' samtidigt.

Detta område är fortfarande under utveckling, men det har gått steg i rätt riktning. Under 2011 avslöjade D-Wave Systems D-Wave One, en 128-qubit-processor, följt ett år senare av 512-qubit D-Wave Two. Företaget säger att dessa är världens första kommersiellt tillgängliga kvantdatorer. Detta påstående har emellertid mötts med skepsis, delvis för att det fortfarande är oklart om D-Waves qubits är intrasslade. Studier som släpptes i maj hittade bevis för intrassling men bara i en liten delmängd av datorns qubits. Det finns också osäkerhet om chipsen visar något pålitligt kvant hastighet . Ändå har NASA och Google samarbetat för att bilda Quantum Artificial Intelligence Lab baserat på en D-Wave Two. Och forskare vid University of Bristol förra året anslutit en av deras traditionella kvantchips till Internet så att alla som har en webbläsare kan lära sig kvantkodning.

Kvantmikroskop

Håll koll på intrasslingen.(Ono et al., Arxiv.org)

Förbättrade mikroskop

vilket land köptes alaska från

I februari utvecklade ett forskargrupp vid Japans Hokkaido University världens första intrångsförstärkt mikroskop , med användning av en teknik som kallas differentiell interferenskontrastmikroskopi. Denna typ av mikroskop avfyrar två strålar av fotoner mot ett ämne och mäter störningsmönstret som skapas av de reflekterade strålarna - mönstret förändras beroende på om de träffar en plan eller ojämn yta. Att använda intrasslade fotoner ökar avsevärt mängden information som mikroskopet kan samla, eftersom mätning av en intrasslad foton ger information om sin partner.

Hokkaido-teamet lyckades avbilda en graverad 'Q' som stod bara 17 nanometer ovanför bakgrunden med oöverträffad skärpa. Liknande tekniker kan användas för att förbättra upplösningen av astronomiverktyg som kallas interferometrar, som överlagrar olika ljusvågor för att bättre analysera deras egenskaper. Interferometrar används i jakten på extrasolära planeter, för att sondra närliggande stjärnor och för att söka efter krusningar under rymdtid som kallas gravitationsvågor.

Den europeiska robin kan vara en kvant naturlig.

Den europeiska robin kan vara en kvant naturlig.(Andrew Parkinson / Corbis)

Biologiska kompasser

Människor är inte de enda som använder kvantmekanik. En ledande teori antyder att fåglar som den europeiska robin använder den spöklika åtgärden för att hålla sig på rätt spår när de vandrar. Metoden involverar ett ljuskänsligt protein som kallas kryptokrom, som kan innehålla intrasslade elektroner. När fotoner kommer in i ögat träffar de kryptokrommolekylerna och kan leverera tillräckligt med energi för att bryta isär dem och bilda två reaktiva molekyler eller radikaler med oparade men fortfarande intrasslade elektroner. Magnetfältet som omger fågeln påverkar hur länge dessa kryptokroma radikaler varar. Celler i fågelns näthinna anses vara mycket känsliga för närvaron av intrasslade radikaler, vilket gör att djuren effektivt kan 'se' en magnetisk karta baserad på molekylerna.

Denna process är dock inte helt förstådd, och det finns ett annat alternativ: Birds magnetiska känslighet kan bero på små kristaller av magnetiska mineraler i näbben. Fortfarande, om intrassling verkligen spelar, föreslår experiment att det känsliga tillståndet måste håller mycket längre i ett fågelperspektiv än i även de bästa konstgjorda systemen. Den magnetiska kompassen kan också vara tillämplig på vissa ödlor, kräftdjur, insekter och till och med vissa däggdjur. Till exempel har en form av kryptokrom som används för magnetisk navigering i flugor också varit finns i det mänskliga ögat , även om det är oklart om det är eller en gång var användbart för ett liknande syfte.



^