Fizicienii arată că partea imaginară a mecanicii cuantice există cu adevărat.

O echipă internațională de cercetare a arătat că partea imaginară a mecanicii cuantice poate fi observată în acțiune în lumea reală.

Timp de aproape un secol, fizicienii au fost intrigați de întrebarea fundamentală: de ce sunt numerele complexe atât de importante în mecanica cuantică, adică numerele care conțin o componentă cu numărul imaginar și? În mod normal, acestea trebuiau să fie doar un truc matematic pentru a facilita descrierea fenomenelor și că doar rezultatele exprimate în număr real au un sens fizic. Cu toate acestea, o echipă de cercetători polonezi-chinezi-canadieni a arătat că partea imaginară a mecanicii cuantice poate fi observată în acțiune în lumea reală.

Trebuie să ne reconstituim semnificativ ideile naive despre capacitatea numerelor de a descrie lumea fizică. Până acum, se părea că doar numerele reale erau legate de mărimi fizice măsurabile. Cu toate acestea, cercetările efectuate de echipa Dr. Alexander Streltsov de la Centrul pentru Tehnologii icalptice Cuantice (QOT) ale Universității din Varșovia, cu participarea oamenilor de știință de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China (USTC) din Hefei și Universitatea din Calgary, au găsit stări cuantice ale fotonilor încurcați care nu pot fi distingeți fără a recurge la numere complexe. În plus, cercetătorii au efectuat și un experiment care a confirmat importanța numerelor complexe pentru mecanica cuantică. Articolele care descriu teoria și măsurătorile tocmai au apărut în reviste Scrisori de recenzie fizică eu Verificarea fizică A.

Fotoni Numere complexe de mecanică cuantică

Fotonii pot fi atât de încurcați încât în ​​cadrul mecanicii cuantice stările lor nu pot fi descrise fără a utiliza numere complexe. Credit: QOT / jch

„În fizică, numerele complexe erau considerate a fi de natură pur matematică. Este adevărat că, deși joacă un rol de bază în ecuațiile mecanicii cuantice, acestea au fost tratate pur și simplu ca un instrument, facilitând fizica pentru calcule. Am demonstrat acum teoretic și experimental că există stări cuantice care pot fi distinse numai atunci când se fac calcule cu participarea indispensabilă a numerelor complexe ”, explică dr. Streltsov.

Numerele complexe sunt alcătuite din două componente, reale și imaginare. Au forma a + bi, unde numerele a și b sunt reale. Componenta bi este responsabilă pentru caracteristicile specifice ale numerelor complexe. Rolul cheie aici îl joacă numărul imaginar și aceasta este rădăcina pătrată a -1.

Nu există nimic în lumea fizică care să poată fi direct legat de numărul i. Dacă sunt 2 sau 3 mere pe o masă, acest lucru este firesc. Când luăm un măr, putem vorbi despre o deficiență fizică și o putem descrie cu întregul negativ -1. Putem tăia mărul în două sau trei secțiuni, obținând echivalenții fizici ai numerelor raționale 1/2 sau 1/3. Dacă masa este un pătrat perfect, diagonala acestuia va fi rădăcina pătrată (irațională) a 2 înmulțită cu lungimea laterală. În același timp, cu cea mai bună voință din lume, este încă imposibil de pus și mere pe masă.

Sursa de fotoni utilizată pentru a produce stări cuantice

Sursa de fotoni care este utilizată pentru a produce stări cuantice care necesită o descriere prin numere complexe. Credit: USTC

Cariera uimitoare a numerelor complexe din fizică este legată de faptul că acestea pot fi folosite pentru a descrie tot felul de oscilații mult mai confortabil decât pentru utilizarea funcțiilor trigonometrice populare. Prin urmare, calculele se efectuează folosind numere complexe și, în final, se iau în considerare doar numerele reale pe care le conțin.

Comparativ cu alte teorii fizice, mecanica cuantică este specială, deoarece trebuie să descrie obiecte care se pot comporta ca particule în anumite condiții și ca unde în altele. Ecuația de bază a acestei teorii, luată ca postulat, este ecuația Schrödinger. Descrie schimbările de timp ale unei funcții date, numită funcție de undă, care este legată de distribuția probabilităților de a găsi un sistem într-o stare specifică. Cu toate acestea, numărul imaginar și apare deschis lângă funcția de undă în ecuația Schrödinger.

„De zeci de ani, s-a dezbătut dacă mecanica cuantică coerentă și completă poate fi creată numai cu numere reale. Prin urmare, am decis să găsim stări cuantice care să poată fi distinse între ele doar prin utilizarea numerelor complexe. Punctul de cotitură a fost experimentul în care am creat aceste stări și am verificat fizic dacă au fost distinse sau nu ”, spune dr. Streltsov, a cărui cercetare a fost finanțată de Fundația pentru Știința Poloneză.

Experimentul care verifică rolul numerelor complexe în mecanica cuantică poate fi prezentat sub forma unui joc jucat de Alice și Bob cu participarea unui maestru care dirijează jocul. Folosind un dispozitiv cu lasere și cristale, maestrul jocului unește doi fotoni într-una din cele două stări cuantice, care necesită absolut utilizarea numerelor complexe pentru a le distinge. Apoi, un foton este trimis lui Alice, iar celălalt lui Bob. Fiecare dintre ei își măsoară fotonul și apoi comunică cu celălalt pentru a stabili corelațiile existente.

„Să presupunem că rezultatele măsurătorii lui Alice și Bob pot adopta doar valorile 0 sau 1. Alice vede o secvență fără sens de 0 și 1, la fel ca Bob. Cu toate acestea, dacă comunică, pot stabili legături între măsurile relevante. Dacă maestrul jocului le trimite o stare corelată, atunci când unul vede un scor de 0, la fel va face și celălalt. Dacă primesc o stare anticorelată, când Alice măsoară 0, Bob va avea 1. De comun acord, Alice și Bob ar putea distinge stările noastre, dar numai dacă natura lor cuantică era fundamental complexă ”, spune Dr. Strelțov.

Pentru descrierea teoretică a fost utilizată o abordare cunoscută sub numele de teoria cuantică a resurselor. Experimentul în sine cu discriminarea locală între stările de doi fotoni încurcați a fost realizat în laboratorul Hefei folosind tehnici de optică liniară. Stările cuantice pregătite de cercetători s-au putut distinge, demonstrând că numerele complexe sunt o parte integrantă și de neșters din mecanica cuantică.

Realizarea echipei de cercetători polonezi-chinezi-canadieni este de o importanță fundamentală, dar este atât de profundă încât poate fi tradusă în noi tehnologii cuantice. În special, cercetarea cu privire la rolul numerelor complexe în mecanica cuantică poate ajuta la o mai bună înțelegere a surselor de eficiență a computerelor cuantice, mașini de calcul calitativ noi capabile să rezolve unele probleme la viteze de neatins pentru computerele clasice.

Referințe:

„Teoria imaginației resurselor operaționale” de Kang-Da Wu, Tulja Varun Kondra, Swapan Rana, Carlo Maria Scandolo, Guo-Yong Xiang, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo și Alexander Streltsov, 1 martie 2021, Scrisori de recenzie fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.090401

„Teoria resurselor imaginare: cuantificarea și conversia statelor” de Kang-Da Wu, Tulja Varun Kondra, Swapan Rana, Carlo Maria Scandolo, Guo-Yong Xiang, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo și Alexander Streltsov, 1 martie 2021, Verificarea fizică A.
DOI: 10.1103 / PhysRevA.103.032401

Centrul pentru tehnologii extatice cuantice de la Universitatea din Varșovia (UW) este o unitate a programului Agenții Internaționale de Cercetare implementat de Fundația pentru Știința Poloneză cu finanțare din Programul Operațional de Dezvoltare Inteligentă. Sediul unității este Centrul pentru Noi Tehnologii al Universității din Varșovia. Unitatea efectuează cercetări cu privire la utilizarea fenomenelor cuantice, cum ar fi suprapunerea cuantică sau încurcarea în tehnologiile optice. Aceste fenomene au posibile aplicații în comunicații, unde pot garanta securitatea transmiterii datelor, în imagini, în care ajută la îmbunătățirea rezoluției și în metrologie pentru a crește precizie de măsuri. Centrul pentru Tehnologii Oicalptice Cuantice de la Universitatea din Varșovia caută în mod activ oportunități de a coopera cu entități externe pentru a utiliza rezultatele cercetării în practică.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.