Podróże w czasie

Dlaczego nie wysyłać wiadomości w czasie, ale tak, aby nikt nie mógł odczytać ich zawartości? Może to być kluczem do rozwiązania trudnych problemów.

Okazuje się, że nie otwarta wiadomość może być niezwykle przydatna; stanie się tak jedynie wtedy, jeśli eksperymentator uwikła wiadomość z innym systemem w laboratorium przed jej wysłaniem. Splątanie, dziwny efekt możliwy tylko w dziedzinie fizyki kwantowej, tworzy korelację pomiędzy wiadomością podróżującą w czasie i systemem laboratoryjnym. Te korelacje mogą być paliwem dla obliczeń.

Około dziesięć lat temu badacz Dave Bacon wykazał, że komputer kwantowy podróżujący w czasie mógłby szybko rozwiązać grupę matematycznych problemów,  zaliczanych do najtrudniejszych (NP.-complete).

Komputer kwantowy Bacona podróżowałby wokół zamkniętych krzywych czasu - są to ścieżki utkane przez tkankę czasoprzestrzeni, mające tę właściwość, iż można się cofać w czasie podróżując z jednej na drugą. Ogólna teoria względności pozwala na istnienie takich wygibasów w czasoprzestrzeni zwanych tunelami czasoprzestrzennymi.

Fizycy twierdzą, iż takie domniemania muszą się skończyć, gdyż takie możliwości zagrażają zasadzie przyczynowości -  ktoś może podróżować w czasie i zabić swojego dziadka, czyli zanegować własną egzystencję (kto zabił dziadka?).

Jednak nowe badania pokazują, że komputer kwantowy może rozwiązać nierozwiązywalne problemy, jeśli porusza się wzdłuż otwartych krzywych czasu, czyli takich, które nie stwarzają problemów związanych z przyczynowością. To dlatego, że nie pozwalają one na bezpośrednią interakcję we własnej przeszłości obiektu: cząstki podróżujące w czasie (lub dane w nich zawarte) nie oddziałują ze sobą. Pomimo to, mają możliwość uzyskiwania mocy obliczeniowej dzięki informacjom przechowywanym w splatanych korelacjach. Istnieje jednak zastrzeżenie dla tej teorii – nie wiadomo, czy istnienie otwartych krzywych czasu jest wykonalne, czy istnieją tylko zamknięte krzywe. W takim razie: jakakolwiek informacja z przeszłości zostałaby natychmiast zablokowana; przesłanką ku temu twierdzeniu jest fakt, iż nikt nas nie odwiedza z przeszłości

Względność przyczynowości

W superpozycji kwantowej obiekt może być w dwóch niekompatybilnych stanach w tym samym czasie, co jest znakomicie zilustrowane przez  martwego-i-żywego kota Schrödingera. Najnowsze badania wykazały, że jest możliwe, aby mieć superpozycję nie tylko niezgodnych stanów, ale także niezgodnych zdarzeń. Często myślimy o zdarzeniach, jako występujących w określonym porządku chronologicznym: zdarzenie A powoduje zdarzenie B, lub odwrotnie. Jednak w pewnych procesach kwantowych zdarzenia mogą nie zaistnieć w jednym określonym porządku, mianowicie oba występują w tym samym czasie. Zjawisko to nazywane jest "przyczynową nierozdzielnością”.

"W codziennym życiu, jesteśmy przyzwyczajeni do przeżywania, iż jedno zawsze dzieje się po drugim, efekty po ich przyczynach," Mateus Araújo z Uniwersytetu w Wiedniu oraz Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej w Wiedniu, Austria, powiedział: "Więc to jest trochę niepokojące, aby uświadomić sobie, że w głębi duszy Natura nie działa w ten sposób, że wszystko może się zdarzyć bez określonego porządku przyczynowego, gdzie nie możemy powiedzieć, co jest przyczyną, a co skutkiem."

Do tej pory przyczynowa nierozdzielność była analizowana tylko w bardzo abstrakcyjny sposób, bez wyraźnego interpretacji fizycznej. Ale w nowym artykule opublikowanym w New Journal of Physics, Araújo i współautorzy opisali przykład fizycznego procesu kwantowego, który pokazuje to zjawisko.

"Teoria kwantowa wstrząsnęła naszą wiedzą o rzeczywistości, informując nas, że systemy fizyczne mogą nie mieć określonych właściwości i mogą być w superpozycji niekompatybilnych stanów. Na przykład, biedny kot może być zarówno żywy i martwy jednocześnie. Teraz okazuje się, że nie tylko właściwości fizyczne, ale także związki przyczynowe (lub zdarzenia przyczynowe) same w sobie mogą być nieokreślone.

Fakt, że teoria kwantowa pozwala również na przyczynową nierozdzielność wydarzeń otwiera nowe możliwości; przykładem takiego zadania, wcześniej proponowanego przez fizyka Giulio Chiribella, jest określenie, czy kolejność działań warunkuje różny wynik w efekcie .

Procesy od A do B i od B do A przebiegają symultanicznie i ich rezultaty zawarte są w superpozycji efektów, co samo w sobie stanowi rozwiązanie problemu. 

Efekty kwantowe w życiu codziennym

Świat mechaniki kwantowej jest dziwny: przedmioty, które są daleko od siebie, mogą wpływać na siebie, co Albert Einstein nazwał "upiornym działaniem na odległość" i kot może być potencjalnie martwy i żywy w tym samym czasie. Przez dziesięciolecia naukowcy próbowali udowodnić, że te fakty są nie tylko dziwactwem matematycznym, ale prawdziwą właściwością świata fizycznego.

 Naukowcy wreszcie udowodnili, że związek między cząstkami w odległości odzwierciedla rzeczywistą naturę wszechświata, a nie jest jedynie artefaktem eksperymentalnym. Tymczasem, inny zespół naukowców starał się pokazać, że żywa istota, choćby bakteria, może być w dwóch różnych stanach kwantowych w tym samym czasie - tak jak kot w eksperymencie myślowym Schrödingera.

Według mechaniki kwantowej wirowanie jednego elektronu, nie może być znane przed pomiarem, jednak będzie idealnie korelowało z drugim splątanym elektronem - nawet jeżeli znajdują się one w odległych lokalizacjach. Einsteinowi nie podobało się to, ponieważ wydawało się sugerować, że informacje mogą być przesyłane z jednego do drugiego elektronu natychmiast – co oznaczało złamanie zasady, która mówi, nic nie może podróżować szybciej niż prędkość światła.

Ale w 1960 roku, w Irlandii Północnej, uczony John Bell wymyślił sposób, aby przetestować teorię Einsteina. "Nierówność Bella" jest spełniona tylko wtedy, gdy działania w jednym miejscu, nie mogą wpływać na inne miejsce, w których wyniki pomiarów są dobrze zdefiniowane wcześniej  i występuje w nich coś, co nazywamy "lokalnym realizmem".

Bell pokazał, teoretycznie, że kwantowe splątanie naruszałoby jego test nierówności, ale lokalne teorie ukrytych zmiennych zawierających realizm lokalny Einsteina: nie. To dlatego, że związek między splątanymi cząstkami jest silniejszy, niż Einstein chciał wierzyć. Więc jeśli zmierzona korelacja pomiędzy parami cząstek z eksperymentu była powyżej pewnego progu, byłaby niezgodna z ukrytymi zmiennymi i uwikłanie stało by się decydujące w skutkach.

 Wszystkie implementacje testów  Bella  zawierały luki, które pozostawiały jakieś pole manewru dla wszechświata posłusznemu lokalnej teorii realizmu.

Jedna z nich to to, iż skuteczność tych pomiarów jest zbyt niska (tzw. luki detekcji) - nie można było wykryć niektórych fotonów w eksperymencie.

Kolejną luka było to, że pomiary były zbyt powolne (luka położenia). Urządzenie pomiarowe było w stanie komunikować się  wolniej niż światło.

Nowe badanie jest pierwszym eksperymentem na jednoczesne zamknięcie obu luk w teście nierówności Bella. Naukowcy wykorzystali laser dla dwóch konkretnych elektronów, każdy z nich znajdował się w diamencie 1 km od siebie, aby zwiększyć swoją energię i wyemitować cząstkę światła (foton), który został uwikłany w stan elektronu. Fotony następnie przesyłane były przez włókno optyczne znajdujące się w trzecim położeniu. Jeśli fotony dotarły w tym samym czasie, oznaczało to, iż będą współdziałać ze sobą i stają się splątane - co oznaczało również, iż ich zdalni kumple: elektrony, również będą uwikłani.

Spiny elektronów były następnie mierzone, aby przetestować nierówności Bella. Obie luki zostały zamknięte, zapewniając efektywność i prędkość odczytowej na wystarczająco wysokim poziomie. W rezultacie, zespół był w stanie wykazać niezbicie, że wszechświat nie przestrzega lokalnego realizmu: wyniki pomiarów nie mogą być z góry znane, a połowa splątania  może wywierać działanie na  zdalnego partnera.

Splątanie nie jest jedynym rodzajem niezwykłego zachowania kwantowego. Innym skutkiem, znanym jako superpozycja, jest zdolność cząstek do występowania w dwóch stanach (na przykład wirowania i braku ruchu) jednocześnie, i obserwuje się to regularnie w laboratoriach na całym świecie. Na przykład, elektrony są znane z przemieszczania się przez dwie szczeliny w tym samym czasie - gdy ich nikt nie ogląda. W chwili, gdy obserwujemy każdą szczelinę, aby złapać to zachowanie w działaniu, cząstka wybiera tylko jedną szczelinę.

Jednak nie możemy bezpośrednio obserwować tych faktów w codziennym życiu, i ponieważ nie spotykamy takich dziwnych rzeczy, wydaje się logiczne, że istnieje jakiś przełącznik z dziwnego świata kwantowego do naszej znajomej codzienności.

Ale jaka to jest skala, w której ten przełącznik się znajduje?

A gdybyśmy mogli obserwować  większe obiekty w stanach superpozycji?

Jest to pytanie zadane w myślowym eksperymencie Schrödingera, w którym kot umieszczony jest w zamkniętym opakowaniu, podłączonego do  kolby z trucizną - z jednym atomem radioaktywnym, który ulegają rozkładowi w przypadkowym czasie.

Jeśli atom rozpada, kolba jest uszkodzona, a kot jest zatruty; jeśli nie, kot żyje. Wiemy, że gdy otwieramy opakowanie, musimy stwierdzić czy kot żyje, czy nie, ale czy jest to własność wszechświata, czy obserwatora, która sprawia, że ​​kot "wybiera" swój stan?

Nowa propozycja zakłada wprowadzenie bakterii, a nie kota, w stan superpozycji. Najnowsze osiągnięcia techniczne w oparciu o nadprzewodzące rezonatory mikrofalowe - urządzenia służące do wykrywania promieniowania i obliczeń kwantowych - pozwoliły fizykom kwantowym obserwować efekty w maleńkich elastycznych membranach aluminiowych  połączonych z obwodami.

Membrany określane są jako duże obiekty w świecie fizyki kwantowej, ponieważ  mimo, iż mają  masę zaledwie 50 pikogramów (50 trylionową grama), zawierają setki miliardów atomów.  Rezonatory muszą być więc ochłodzone w ułamku zera absolutnego (-273°C), zanim powstaną efekty kwantowe. W przeciwnym razie termiczne drgania maskowałyby skutki.

Bakteria umieszczana jest na wierzchu takiej membrany, następnie schładzana do najniższego stanu energii. Membranę następnie umieszcza się w superpozycji dwóch różnych stanów ruchu: dwóch różnych rodzajów drgań. Mają one na celu wykazanie, że ​​działanie bakterii na właściwości oscylatora będzie minimalne, przy czym oscylator efektywnie zachowuje się, jak gdyby bakterii nie było.

W ten sposób bakterie skutecznie występują w dwóch stanach ruchu naraz.

Proponowana eksperyment byłby imponujący - ale przede wszystkim pokazuje, że mechanika kwantowa jest prawdziwa dla obiektów większych niż cząstki elementarne. Ale wydaje się mało prawdopodobne, aby odpowiedzieć, czy kot Schrödingera może być żywy i martwy jednocześnie, ponieważ bakteria pozostanie w stałym stanie kriokonserwacji -podobnym do szkła. Gdyby to był kot, to istniałby w letargu, a nie w superpozycji jednoczesnego życia i śmierci.

Zdrowe serce

Jesteśmy zależni od fal elektrycznych, które regulują rytm naszego serca. Gdy te sygnały zostają zniekształcone, stanowi to potencjalnie śmiertelne zaburzenia rytmu serca. Teraz zespół naukowców z Oksfordu i Stony Brook znalazł sposób, aby precyzyjnie kontrolować te fale - za pomocą światła.

Obie komory serca i neurony w mózgu komunikują się w poprzez sygnały elektryczne, a informacje z podróży w ramach owej komunikacji  przenoszą się szybko z komórki do komórki jako "fale wzbudzenia". Co ciekawe, fale te występują również w wielu innych procesach w przyrodzie, w wyniku reakcji chemicznych w drożdżach i amebach.

Dla chorych na serce istnieją obecnie dwie opcje, aby zachować te fale w ryzach: urządzenia elektryczne (rozrusznik serca) lub leki (np beta-blokery). Jednakże, metody te są stosunkowo prymitywne: mogą zatrzymać lub uruchomić fale, ale nie mogą zapewnić doskonałej kontroli prędkości i kierunku fal. To jest tak, jakby uruchomić lub zatrzymać łódkę, ale bez możliwości jej kierowania.

Dr Gil Bub, z Oxford University wyjaśnił: "Gdy występuje blizna na sercu lub zwłóknienie, może to spowodować częściowe spowolnienie fali. To z kolei może spowodować re-uczestniczące fale, które spiralnie otaczają się wokół tkanki, powodując, że serce zaczyna bić zbyt szybko, co może być śmiertelnie groźne. Jeśli możemy kontrolować te spirale, możemy temu zapobiec”.

Optogenetyka wykorzystuje modyfikowane genetycznie zmiany komórek, tak, że mogą być aktywowane przez światło. Do tej pory, było to głównie wykorzystywane do uruchamiania poszczególnych komórek lub uruchomienia fal wzbudzenia w tkance.

Białko zwane channelrhodopsin zostało dostarczone do komórek serca z zastosowaniem technik terapii genowej, tak że mogą one być sterowane przez światło. Następnie przy użyciu sterowanego komputerowo projektora światła, zespół był w stanie sterować prędkością fal sercowych, ich kierunkiem, a nawet położeniem spirali w czasie rzeczywistym - ​​naukowcy są w stanie przeprowadzać eksperymenty na poziomie szczegółowości, wcześniej dostępnym tylko przy użyciu modeli komputerowych. Mogą teraz porównać modele na doświadczeniach z rzeczywistych komórek, co oznacza potencjalnie poprawę naszego zrozumienia, jak działa serce.

Poziom precyzji przypomina to, co można zrobić w modelu komputerowym, jednak tutaj było to robione w prawdziwych komórkach serca, w czasie rzeczywistym.

Precyzyjna kontrola kierunku, prędkości i kształtu takich fal wzbudzenia oznaczałaby bezprecedensową bezpośrednią kontrolę funkcji w samym sercu lub mózgu, bez konieczności skupiania się na manipulowanie każdą komórkę pojedynczo. Ta idealna terapia pozostaje w sferze science - fiction, aż do teraz.

Kwestią kluczową jest to, aby zmodyfikować serce, by było czułe  na światło oraz to, by światło dostawało się do pożądanych miejsc. Jednakże, dzięki terapii genowej i miniaturyzacji urządzeń optycznych jest to wykonalne.

Czas życia...atomu

Naukowcom z Chalmers University of Technology udało się doświadczenie, podczas którego spowodowali, że atom przetrwał dziesięć razy dłużej niż normalnie, a dokonali tego umieszczając go przed lustrem.

Jeśli dodaje się energii do atomu, to zwykle trwa trochę czasu, zanim atom traci ją i powraca do pierwotnego stanu. Czas ten jest nazywany czasem życia stanu atomu. Naukowcy z Chalmers University of Technology umieścili imitowany atom w określonej odległości przed zwarciem, który działa jak lustro. Zmieniając odległość do lustra, mogą uzyskać atom, który żyje dłużej nawet do dziesięciu razy.

Sztuczne atom jest w rzeczywistości nadprzewodzącym obwodem elektrycznym. Podobnie jak w przypadku atomu, można go ładować energią wzbudzeniową, którą ten następnie wydziela się w postaci świetlnych cząstek. W tym przypadku, światło ma znacznie niższą częstotliwość niż zwykłe światło, a w rzeczywistości są to mikrofale.

"Pokazaliśmy, w jaki sposób możemy kontrolować czas życia atomu w bardzo prosty sposób," mówi Per Delsing, profesor fizyki i lider zespołu badawczego. "Że można zmieniać trwałość atomu przez zmianę odległości między atomem i lustrem. Jeśli czas życia atomu - w pewnej odległości od zwierciadła -  jest przedłużony o taką długość, że nie jest możliwe w ogóle obserwowanie go, oznacza to, że możemy ukryć atom przed lustrem ", kontynuuje.

Eksperyment przeprowadzany jest w ramach współpracy między doświadczalnymi i teoretycznymi fizykami w Chalmers; ci drudzy opracowali teorię, jak czas istnienia atomu różni się w zależności od odległości do lustra.

Powodem, dla którego atom umiera, czyli wraca do pierwotnego stanu, jest to, że widzi bardzo małe zmiany w polu elektromagnetycznym, które muszą istnieć z powodu teorii kwantowej, znanej jako fluktuacje próżni.

Gdy atom jest umieszczony przed lustrem, współdziała z jego lustrzanym odbiciem, które zmienia wielkość fluktuacji próżni, w stosunku do której atom jest eksponowany. System, który naukowcy Chalmers zastosowali w budynku szczególnie dobrze nadaje się do pomiaru fluktuacji próżni - w przeciwnym razie jest to bardzo trudne do zmierzenia.

Kwantowe koty

Niektórzy uważają koncepcje nauki kwantowej za mylące lub nieintuicyjne. Einstein nazwał efekty kwantowe jako:  "upiorne". Aby pomóc ludziom lepiej zrozumieć niektóre z podstawowych pojęć nauki kwantowej, Instytut Quantum Computing (IQC) na University of Waterloo stworzył grę: „Kwantowe koty”.

Gra wykorzystuje koty zachowujące się w czterech głównych kategoriach - klasycznej, kwantowej superpozycji, tunelingu i niepewności – gracz musi uratować kocięta uwięzione w pudełkach. Gracze mogą uruchomić różne koty i używać ich kwantowych zachowań, aby otworzyć pudełka.

"Kwantowe koty" zostały opracowane we współpracy z Uniwersytetem w Waterloo Games Institute. Studenci i wykładowcy z całego kampusu współpracowali nad ideą i rozbudowaniem tej gry.

Kwantowe technologie wyłaniają się z laboratoriów badawczych na całym świecie coraz szybciej i szybciej. Od bardzo bezpiecznej komunikacji do bardzo czułych urządzeń i potężnych komputerów kwantowych - te technologie obiecują przekształcić nasz sposób życia, pracy i zabawy.

"Ta gra to świetny sposób do zapoznania się z koncepcjami nauki kwantowej", powiedział Tobi Day-Hamilton, zastępca dyrektora, komunikacji i strategicznej inicjatywy na IQC.

Kwantowe koty jest dostępne do pobrania z App Store Google, wkrótce będzie dostępna na iTunes i BlackBerry World.

Źródło: http://www.techpageone.co.uk/en/technology/data-deduplication-and-quantum-cats/#.VhToo_ntmko 

W grze uczestniczą 4 koty:

1. Classy - klasyczny kot. Zachowuje się tak,  jak można się spodziewać - wiesz, dokąd idzie i skąd. Podąża prawami Newtona i Galileusza.

2. Schrö - Nigdy nie wiadomo, czy Schrö jest w pudełku, czy też nie. Ma zdolność do bycia w różnych stanach w tym samym czasie. Mógł być tutaj, mógł być tam i tu!

3. Digger - Nagle pojawia się po drugiej stronie bariery, nawet wtedy, kiedy nie ma na to siły!

4. Fuzzy - Nigdy nie jesteś pewien, gdzie znajduje się ten kot. Istnieje limit, jak wiele informacji można o nim posiadać.

 Instytut Quantum Computing to światowej klasy ośrodek badawczy w dziedzinie kwantowej informatyki i technologii na Uniwersytecie Waterloo. Eksperymentatorzy i teoretycy robią potężne postępy, pogłębiają zrozumienie informacji kwantowej oraz przyspieszają rozwój technologii kwantowej z aplikacjami obliczeń kwantowych do czujników kryptografii kwantowej.

Gotowanie wszechświata

Nowe badania, których nazwę można sparafrazować: "nie za gorąco, nie za zimno, tylko tak jak trzeba", odnoszą się do świata kwantowego i generowania splątania kwantowego - wiązań w obrębie i pomiędzy materią i światłem - i tym samym: sugerują, że wszechświat rozpoczął się "ani zbyt szybko, ani zbyt wolno".

Analizując system, który tworzy pary materii i światła, naukowcy stwierdzili, że kwantowe przekraczanie przejścia fazowego przy prędkości pośrednich generuje najbogatszą, najbardziej złożoną strukturę.

Źródło: http://rebloggy.com/post/photography-art-design-coffee-space-stars-starry-cake-universe-cooking-sweet-sta/88396267672

"Nasze wyniki wskazują, że wszechświat został  ugotowany w odpowiednim tempie" powiedział Neil Johnson, profesor fizyki na Uniwersytecie w Miami College of Arts & Sciences i jeden z autorów badania. "Nasz prosty model, który może być realizowany w laboratorium na chipie, służy do zbadania, jak struktura rozwija się wraz z prędkością zmian gotowania".

Wielka tajemnica dotycząca pochodzenia wszechświata dotyczy tego: jak gromadom gwiazd, układów planetarnych, galaktyk i innych obiektów udało się ewoluować z niczego.

Badanie rzuca nowe światło na sposób generowania, kontrolę i manipulowanie splątaniem kwantowym. Jego wyniki są kluczem do nowej generacji futurystycznych technologii - w szczególności: ultraszybkiej kwantowej kryptografii kwantowej, informatyki, ultra precyzyjnej metrologii kwantowej, a nawet teleportacji informacji kwantowej.

"Kwantowe splątanie jest jak" Bitcoin" powiedział Johnson. "To jest magiczny sos, który łączy ze sobą wszystkie obiekty we wszechświecie, w tym światło i materię".

W codziennym świecie, substancja może ulegać przemianie fazowej w różnych temperaturach; dla przykładu, woda zamieni się w lód lub parę po dostatecznym dostarczeniu zimna lub gorąca. Jednakże w świecie kwantowym system może ulegać przemianie fazowej przy zerowej temperaturze bezwzględnej, po prostu zmieniając ilość interakcji między światłem a materią. Ta przemiana fazowa generuje kwantowe splątanie w procesie.

Johnson lubi porównać powstanie bardzo uwikłanych lekkich konstrukcji materii, jak kwantowe przejście fazowe, do sposobu, w jaki grudki owsianki pojawiają się z "niczego", kiedy podgrzać mleko i płatki owsiane.

"W przypadku przekroczenia przejścia przy odpowiedniej prędkości (gotować w odpowiedniej prędkości), struktury (guzki) wydają się o wiele bardziej skomplikowane – co więcej" smaczne"- niż w przypadku przekraczania za szybko lub powolnie", powiedział Johnson.

Wyniki badania, zatytułowanego „Enhanced dynamic light-matter entanglement from driving neither too fast nor too slow", spełniają warunki dla szerokiej gamy rozmiarów systemowych, a efekt jest do uzyskania przy użyciu istniejących ustawień eksperymentalnych w realistycznych warunkach. 

Ciemna materia

Ciemna materia jest ogromną, ale niewidzialną materią wszechświata, najprawodopodobniej odpowiedzialną za siły grawitacji, która utrzymują galaktykę Drogi Mlecznej razem.

Nasza galaktyka obraca się niewiarygodnie szybko, a gwiazdy, planety i inne obiekty poleciałyby w różnych kierunkach, jeśli nie byłoby przyciągania grawitacyjnego.

Kiedy obliczyć wagę każdej znanej masy, to nigdzie w pobliżu nie ma wystarczająco dużo siły, aby utrzymać galaktykę razem. Ciemna materia stanowi tą różnicę.

                                            Źródło: http://chandra.harvard.edu/xray_astro/dark_matter/index5.html

Chociaż nikt nigdy nie wykrył ciemnej materii, to możliwości wykazane przez detektor XENON100 są zachęcające. Wysoka czułość detektora - udowodniona dzięki wynikom doświadczalnym - może uwolnić naukowców z konieczności ograniczania analizy tylko do danych zgromadzonych.

Naukowcy pracujący nad projektem dotyczącym ciemnej materii (Dark Matter Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes – eksperyment DAMA/LIBRA) twierdzą, iż wykryli ciemną materię w roku 1998. Zespół obserwował sygnał zmieniający się wraz z porami roku, czego jednak nie potwierdziły inne zespoły poszukujące ciemnej materii; fakt ten tłumaczony jest następująco: inne grupy nie napotkały na sygnał, ponieważ ciemna materia reagowała tylko z atomami detektora XENON, jako że „chętniej współpracuje” ona z elektronami.

Przez długi czas uznawano za niewykonalne, aby przetestować rozpraszanie cząstek ciemnej materii na elektronach lub emitowanych fotonach, jednak płynne detektory gazu szlachetnego, jak zawiera XENON100 tworzą obecnie nowy standard w tym przedsięwzięciu.

Materiał używany w detektorze XENON100 i materiał użyty w projekcie DAMA / LIBRA są bardzo podobne pod względem konfiguracji elektronowej -  detektor XENON100 jest jednak o wiele bardziej wrażliwy i dzięki temu sygnał będzie o wiele bardziej wyraźny

Chociaż dane XENON100 nie wykazują takiego samego sygnału, jak obserwowany podczas projektu DAMA / LIBRA, to wskazują na zaledwie słabą roczną modulację, która rodzi pytania, ale jest niezwykle ekscytująca.

Eksperyment prowadzony jest w ramach międzynarodowej współpracy naukowców z 120  instytucji na całym świecie i jest prowadzony przez Elenę Aprile, profesor astrofizyki na Uniwersytecie Columbia.

Jesienią tego roku zespół wdroży detektor nowej generacji o nazwie XENON1T, który ma być 100 razy bardziej czuły niż XENON100. Sam detektor będzie 20 razy większy i obejmie szereg ulepszeń technologicznych.

Celem eksperymentów XENON100 i XENON1T jest wychwycenie oznak ciemnej materii, która przepływa przez Ziemię i przestrzeń kosmiczną. Aby chronić czujki detektora przed promieniowaniem kosmicznym, są one zlokalizowane pod górą w Narodowym Laboratorium Gran Sasso we Włoszech, największym na świecie podziemnym laboratorium.

Czujki wykorzystują gaz szlachetny: ksenon, przechowywany w pojemniku ze stali nierdzewnej. Detektor wyposażony jest w elektronikę, która umożliwia wykrycie nawet pojedynczego elektronu i fotonu wygenerowanego w dowolnym miejscu.

Czas płynący do tyłu - czyli możliwość wiedzy o wynikach pomiarów w przyszłości

Prawa mechaniki klasycznej są niezależne od kierunku czasu, ale czy tak samo jest w mechanice kwantowej, jest przedmiotem debaty. Chociaż przyjmuje się, że prawa rządzące wydzielonymi systemami kwantowymi są symetryczne w czasie, pomiar zmienia stan systemu według zasad, które są ważne tylko, kiedy czas płynie do przodu – aczkolwiek są różnice w opiniach na temat interpretacji tego efektu.

Fizycy z Université Libre de Bruxelles opracowali w pełni symetryczną w czasie formułę teorii kwantowej, która ustala dokładny związek między opisaną asymetrią a faktem, że możemy pamiętać przeszłość, ale nie przyszłość - zjawisko, które fizyk Stephen Hawking nazwał "psychologiczną" strzałką czasu.

Studium oferuje nowe spojrzenie na koncepcję wolnego wyboru i przyczynowości, i sugeruje, że związek przyczynowy nie musi być uznany za podstawową zasadę fizyki.

Pomysł, że w chwili obecnej nasze wybory mogą wpływać na wydarzenia w przyszłości, ale nie w przeszłości, znajduje odzwierciedlenie w zasadach standardowej teorii kwantowej jako zasada, którą teoretycy kwantowi nazywają: "przyczynowość- kazualizm”.

Aby zrozumieć tę zasadę, autorzy nowej koncepcji analizowali pojęcie „wyboru” w świetle mechaniki kwantowej – co właściwie oznacza wybór?

Na przykład, myślimy, że eksperymentator może wybrać to, co będzie przedmiotem wykonywania pomiarów w danym systemie, ale nie ma wpływu na wynik  pomiaru. Odpowiednio do tego, zgodnie z zasadą przyczynowości, wybór pomiaru może być skorelowany tylko z wynikami pomiarów w przyszłości, natomiast wynik pomiaru może być skorelowany zarówno z wynikami pomiarów zarówno przeszłych, jak  i przyszłych.

Naukowcy uważają, że decydująca właściwość, wedle której interpretujemy zmienne opisujące pomiar zgodnie z wyborem eksperymentatora, podczas gdy wynik pomiaru już nie, polega na tym, iż wynik może być znany przed odbywającym się pomiarem.

Z tego punktu widzenia zasada przyczynowości może być rozumiana jako ograniczenie dostępnych informacji na temat różnych zmiennych w różnych momentach. To ograniczenie nie jest symetryczne do czasu, odkąd zarówno wybór pomiaru i wynik pomiaru mogą być znane a posteriori. To, według badaczy, jest istotą ukrytej asymetrii w standardowym sformułowaniu teorii kwantowej.

Teoria kwantowa została sformułowana w oparciu o asymetryczne podstawy, które odzwierciedlają fakt, że możemy poznać przeszłość i interesuje nas przewidywanie przyszłości. Ale pojęcie prawdopodobieństwa jest niezależne od czasu i z punktu widzenia fizyki warto spróbować sformułować Teorię w zakresie zasadniczo symetrycznym.

W tym celu autorzy proponują przyjąć nową koncepcję pomiaru, który nie jest określony tylko na podstawie zmiennych w przeszłości, ale może zależeć od zmiennych w przyszłości.

"W podejściu proponujemy, aby pomiary nie były interpretowane tylko w zależności od wolnych wyborów eksperymentatora, ale aby dostarczały informacji o możliwych zdarzeniach w różnych regionach czasoprzestrzeni", mówi Nicolas Cerf, współautor badania i dyrektor Centrum Informacji i Komunikacji Quantum na ULB.

W formułowaniu symetrycznej czasowo kwantowej teorii wynikający z tego podejścia, zasada przyczynowości i psychologiczna strzałka czasu wskazują coś, co fizycy nazywają warunkami brzegowymi.

Tak więc, na przykład, zgodnie z nową formułą, nie jest wykluczone, że w niektórych częściach wszechświata zasada przyczynowości może być naruszona.

Granica pomiędzy światem kwantowym i normalnym-klasycznym

Teoria kwantowa jest jednym z największych osiągnięć nauki 20-tego wieku, jednak fizycy wciąż zmagają się ze znalezieniem wyraźnej granicy między naszym codziennym życiem i tym, co Albert Einstein nazywał upiornym oddziaływaniem na odległość - cechą świata kwantowego; w tym kotów, które mogą być zarówno żywe i martwe, jak i fotonów, które mogą komunikować się ze sobą w przestrzeni natychmiast.

Przez ostatnich 60 lat, najlepszym przewodnikiem na drodze do odnalezienia tej granicy było twierdzenie o nazwie: Nierówność Bella. Jednakże teraz nowe dowody wskazują, iż Nierówności Bella nie jest na tyle dobrym drogowskazem, jak wierzono. Oznacza to, że ​ świat informatyki kwantowej przynosi kwantowe dziwy bliżej do naszego życia codziennego, a my rozumiemy granice tego świata gorzej, niż zakładali naukowcy.

 Klasyczny promień światła, po którym można by oczekiwać posłuszeństwa wedle reguły Nierówności Bella może oblać ten test w laboratorium, jeśli wiązka jest odpowiednio przygotowana, tak aby posiadała specyficzną cechę: splątanie.

Okazuje się, że niektóre cechy świata rzeczywistego muszą dzielić kluczowy składnik domeny kwantowej. Ten kluczowy składnik nazywa się splątaniem – czyli cecha, do której odniósł się Einstein nazywając ją upiorną. W takim razie test Bella może służyć jedynie odróżnianiu systemów, które cechują się splątaniem, od tych, które tej cechy nie posiadają – a więc rozróżnieniu: czy są to "klasyczne" systemy, czy kwantowe.

Generalnie: potrzeba dwóch do…splątania. Na przykład, myśląc o dwóch klaskających regularnie rękach: tego, czego możesz być pewien, to że gdy prawa ręka przesuwa się w prawo, lewa ręka porusza się w lewo i odwrotnie. Ale jeśli zapytano by Ciebie, abyś odgadł  bez słuchania i patrzenia, czy w pewnym momencie prawa ręka porusza się w prawo, a może w lewo… to nie wiadomo. Jednak wciąż wiesz, że cokolwiek robi prawica w tym czasie, lewa ręka będzie robić odwrotnie. Możliwość wiedzy o jakiejś powszechnej cesze czy własności, bez wiedzy o własności indywidualnej jest istotą doskonałego uwikłania.

W przeciwieństwie do splątania kwantowego, klasyczne uwikłanie się dzieje w ramach jednego systemu. Efekt jest jednak tylko lokalny: nie ma działania na odległość, żadnej upiorności.

Określanie stanów kwantowych

Nie jest niemożliwe, aby uzyskać wszystkie informacje na temat dużego układu kwantowego, składającego się z setek lub tysięcy cząsteczek. Istnieje jednak technika pozwalająca na opisanie takich systemów w kategoriach "stan produktu ciągłej matrycy”. Stosując takie przybliżenie, istotne informacje o układzie kwantowym można uzyskać jedynie poprzez wykonanie kilku pomiarów.

Przez długi czas eksperymenty związane z fizyką kwantową  odbywały się z małą liczbą cząstek. Mimo to, i  tak zachowania pojedynczych atomów lub cząsteczek były bardzo trudne do opisania. Obecnie stało się możliwe kontrolowanie kilku tysięcy cząsteczek – eksperymentalnie - ale dla obliczeń teoretycznych stanowi to nadal poważny problem. Stan kwantowy tak dużego systemu jest na tyle skomplikowany, że ​​wszystkie zasoby na ziemi nie wystarczyłyby, aby zapisać go w sposób klasyczny.

    Źródło: http://www.scienceworldreport.com/articles/4827/20130207/quantum-computer-interface-transfers-qubit-atom-photon.htm

Metoda kwantowej tomografii sprawia, że ​​możliwe jest zmierzenie i precyzyjne opisanie stanu dużych układów kwantowych z zaledwie kilku pomiarów. Podstawowa idea tej nowej metody jest prosta: nawet jeśli układ jest w  jednym z niewyobrażalnie wielu stanów kwantowych, to istnieje jego bardzo dobre przybliżenie.

Wynik rzutu monetą to albo orzeł albo reszka. Zachowanie cząsteczki jest znacznie bardziej skomplikowane. Układ kwantowy może być w dwóch różnych stanach, dodatkowo dowolna mieszanina tych stanów jest również fizycznie dozwolonym stanem.

"Im większa liczba cząstek, tym bardziej skomplikowany staje się opis systemów kwantowych", mówi profesor Jörg Schmiedmayer z Wiedeńskiego Centrum Nauki i Technologii Kwantowej (VCQ) w TU Wien. "Pojemność wymagana do opisania stanów kwantowy rośnie wykładniczo do liczby cząstek. W przypadku systemu kilkuset cząstek kwantowych, możliwe jest więcej stanów kwantowych niż jest atomów we wszechświecie; jest absolutnie niemożliwe, aby opisać taki stan lub wykonać dotyczące go obliczenia".

Ale dokładna znajomość stanu kwantowego nie zawsze jest konieczna. Nowy sposób teoretyczny, opracowany w Berlinie przez grupę badawczą profesora Jensa Eiserta wykorzystuje specjalny rodzaj opisu dla stanów kwantowych – tzw.: "continuous matrix product states" (CMPS).

Ta klasa stanów reprezentują niewielką ilość wszystkich możliwych stanów, ale z punktu widzenia fizyki są one niezwykle ważne. Ta klasa zawiera stany z realistycznym splątaniem kwantowym", mówi Jens Eisert. "Egzotyczne, skomplikowane wzory uwikłania między wieloma cząstkami kwantowymi mogą być w zasadzie możliwe, ale w praktyce nie pokazują się w układach fizycznych. Dlatego możemy ograniczyć się do CMPS w naszych obliczeniach". 

"Dla każdego możliwego stanu kwantowego istnieje CMPS bardzo bliski prawdziwego stanu kwantowego. To jest jak frakcja w matematyce" - mówi Eisert. - "Liczby wymierne, które można zapisać w postaci frakcji, stanowią tylko niewielką część wszystkich liczb rzeczywistych. Ale dla każdej liczby rzeczywistej, istnieje liczba frakcyjna, której wartość jest dowolnie bliska”.  Liczba pi nie jest liczbą ułamkową - ale przybliżenie pi wykorzystywane przez kalkulator jest. Dla wszystkich celów praktycznych, jest to wystarczająco dobre.

Dzięki nowej metody, można zrekonstruować stan kwantowy z zaledwie kilku pomiarów. Precyzja jest tak wysokie, że można korzystać z takiego przybliżenia, aby przewidzieć wynik dalszych pomiarów." Ta technika nazywa się "Tomografią kwantową" - podobnie jak tomografia komputerowa w szpitalu, gdzie kilka zdjęć jest wykorzystywane do obliczenia modelu 3D, tomografia kwantowa wykorzystuje kilka pomiarów, aby obliczyć obraz stanu kwantowego.

Nowa metoda nie tylko otwiera nowe możliwości dla fizyki kwantowej wielu ciał. Mógłaby być też drogą do nowych symulatorów kwantowych.  Kiedy dwa różne systemy kwantowe mogą być opisane z tych samych podstawowych wzorów, możemy dowiedzieć się wiele o jednym systemie studiując inny.  Możemy sterować tysiącami atomów w kwantowym układzie. 

Teoria gier w mechanice kwantowej

Cząstki kwantowe zachowują się w dziwny sposób i często trudno je zbadać doświadczalnie. Korzystając z metody matematycznej zaczerpniętej z teorii gier pokazano, jak bozony, które lubią wprowadzać się w ten sam stan, mogą tworzyć wiele grup.

Badanie tajemniczego zachowania cząstek kwantowych wkrótce osiągnie granice obecnych możliwości eksperymentalnych. Od tego momentu postęp będzie możliwy tylko przy pomocy pomysłów teoretycznych; jednym z nich jest badanie zachowań bozonów. Cząstki kwantowe zwane bozonami lubią tworzyć klastry. Ale przy zastosowaniu metod z dziedziny matematycznej teorii gier, można wyjaśnić, dlaczego i na jakich warunkach bozony tworzą zróżnicowane grupy.

W przyrodzie istnieją dwa rodzaje cząstek kwantowych: fermiony i bozony; to czy cząstka jest fermionem, czy bozonem zależy od jej wewnętrznego momentu pędu i spinu. Dla fermionów, spin jest zawsze połową liczby całkowitej, czego najbardziej znanym przykładem jest elektron. Bozony, z kolei, zawsze wykazują całkowity spin; przykładowo taki spin mają fotony, ale również całe atomy mogą być bozonami. Bozony są zwierzętami społecznymi, które lubią być na tej samej długości fali lub lubią być w tym samym stanie kwantowym. Gdy bozony chłodzi się do temperatury -273,15 °C, w pobliżu zera absolutnego mogą nawet zaczynać pracować jako pojedyncze "super" cząstki. Powodem, dla którego tak się dzieje jest to, że w tak niskich temperaturach, wszystkie bozony chcą osiedlić się w możliwie najniższym stanie energetycznym.

Ta grupa super-cząstek jest nazywana kondensatem Bose-Einsteina, przy czym kondensat  oznacza grupę cząsteczek, które zachowują się w ten sam sposób. Stworzenie takiego kondensatu zostało zaproponowane w latach dwudziestych XX wieku, a  w latach dziewięćdziesiątych eksperymentatorzy ultra-zimnych gazów atomowych ostatecznie potwierdzili te wieloletnie prognozy.

Dopiero niedawno naukowcy wymyślili teorię, że zbiór bozonów powinien być zdolnym do tworzenia wielu kondensatów. Aby osiągnąć ten cel, bozony muszą być w układzie otwartym, w którym energia jest okresowo pompowana z zewnątrz - na przykład za pomocą lasera – następnie każdy bozon uwalnia energię do otoczenia.

Siła teorii gier leży w jej zdolności do wyjaśniania zachowań i interakcji kolektywów. Każdy członek ma własną strategię; teoria gier może wyjaśniać skomplikowane procesy podejmowania decyzji i formowanie się podgrup o różnych opiniach. Obecnie wykazano, że nawet zachowanie bozonów może być rozumiane w kontekście teorii gier. I ten wgląd doprowadził  do fizycznej zasady leżącej u podstaw kondensacji bozonów w wielu stanach.

"Nasza teoria jest oparta na intuicji, wyjaśnia Johannes Knebel, doktorant w grupie badaczy "Na początku, wszystkie bozony robią swoje. Ale ponieważ energia może przepływać do i z systemu, bozony ostatecznie tworzą grupy w poszczególnych stanach kwantowych, podczas gdy inne stany zostają rozładowane”.

Podobnie, gdy wielu graczy - o różnych strategiach konkurowania przeciwko sobie - rywalizuje, tylko skuteczne strategie ostatecznie dominują. Inne strategie znikają w czasie. Ta sama dynamika może być zaobserwowana w trakcie dyskusji przy okrągłym stole. Na początku każdy ma inne zdanie, ale przetrwa tylko kilka opinii, które podziela większość dyskutantów. Stąd powiedzenie: porządek wyłania się z czasem.

Sformułowano ewolucję ustalania się porządku w aspekcie zmniejszania się względnej entropii, prowadzącej do kolektywnych zachowań bozonów. W kwestii wybijania bozonów z równowagi obiecująco rokują na przyszłość eksperymenty z ultra-zimnych gazów atomowych.

Interaktywne wszechświaty

Powyższa koncepcja zakłada, iż cząstki wielu wszechświatów mogą wchodzić w reakcje z cząstkami naszego świata. Ma ona stanowić wyjaśnienie takich zjawisk, implikowanych przez mechanikę kwantową, jak: znajdowanie się cząstek w więcej niż jednym miejscu lub komunikowanie się ich z prędkością większą niż światło na ogromnych dystansach.

Cząstki zajmują konkretne miejsce w danym wszechświecie, ale w zależności od wszechświata miejsca te różnią się – stąd wrażenie, iż są w kilku miejscach naraz.

Komunikowanie się cząstek bardzo od siebie oddalonych, to tak naprawdę komunikacja sąsiadujących ze sobą wszechświatów.

W nanoświecie cząstki nie zachowują się jak większe obiekty, mające stale określoną pozycję. Kiedy naukowcy obserwują cząstki kwantowe, zachowują się one jak cząstki, ale kiedy ich nie obserwują, stają się one falami.

Teoria wielu wszechświatów oparta jest na standardowej matematyce kwantowej, a więc nie jest jasne: gdzie znajdują się owe wszechświaty i jak są zdefiniowane. Jej sposób objaśniania zjawisk przypomina stado ptaków, które wyleciało z jednego gniazda. Pominięcie funkcji falowej w tej teorii tłumaczone jest następująco: „budowanie wszechświata przypomina stawianie rusztowań, im mniej części ruchomych tym łatwiejszy opis matematyczny”.

Istnienie funkcji falowej powoduje narastanie całej masy interpretacji o charakterze filozoficznym; powyższa teoria zadaje pytanie: „Czy funkcja falowa istnieje?” oraz: „Co może ją zastępować?”.

Fizycy kwantowi wiedzą: albo gdzie się znajdują cząstki, albo gdzie zmierzają – nie możliwe jest stwierdzenie tego jednocześnie. Teoria interakcji wielu wszechświatów mogłaby przywrócić poprzednie postrzeganie świata, gdzie obie te informacje są możliwe.

Falę zastąpiłyby trajektorie cząstek, a każda z nich reprezentowałaby inny wszechświat.

Niedokładność pozycji cząstek traktowana jest więc jako przejaw interakcji z innym wszechświatem. Aczkolwiek interakcje zachodzą na poziomie mikroskopowym, nie można wykluczyć, iż inne wszechświaty istnieją także i różnią się w skali makroskopowej. 

Kwantowy termometr

Zdeterminowano granicę najbardziej dokładnego pomiaru temperatury, na jaki pozwalają prawa fizyki.

Termometr ten mogłyby wykryć nawet najmniejsze wahania temperatury w mikroświecie; przykładowo zmian w komórkach organizmów. Składa się on z kilku atomów, a więc jest dostatecznie mały, aby wychwycić efekty kwantowe.

Opracowanie i praktyczne wdrożenie wrażliwego nano-skalowego termometru stanowiłyby ogromny skok do przodu, gdyż taka technologia umożliwiłaby mnóstwo zastosowań w biochemii, chemii, fizyce oraz w diagnostyce i leczeniu wielu chorób.

Dr Gerardo Adesso, który prowadził  badaniu, powiedział: "W tym eksperymencie przeprowadzamy pełną charakterystykę sond, które szacują temperaturę z maksymalną dokładnością, a także margines błędu, który musi towarzyszyć każdemu szacowaniu temperatury Dla potrzeb badania łączymy narzędzia termodynamiki i metrologii kwantowej, która zajmuje się ultra-precyzyjnymi pomiarami układów kwantowych.  Znajdujemy zachwycające i inspirujące połączenia między nimi”.

Uczeni przedstawiają również, jak poświęcając pewną dokładność w pomiarze,  możliwe jest uzyskanie innych pożądanych cech w termometrze, przykładowo stałą czułości w szerokim zakresie temperatur.

Wreszcie możliwe jest uzyskanie maksymalnej dokładności osiąganej w rzeczywistych sytuacjach, w których czas ekspozycji dla pomiaru temperatury może być bardzo krótki ze względu na nieuniknione ograniczenia eksperymentalne.

                                              Dla odmiany termometr gigant

Interferencja atomów

Dziwna natura rzeczywistości, określona przez teorię kwantową, przetrwała kolejny test; stało się tak za sprawą naukowców, którzy wykonali eksperyment i udowodnili, że ​​rzeczywistość nie istnieje, dopóki nie zostanie zmierzona.

Fizycy z Australian National University (ANU) przeprowadzili eksperyment myślowy Johna Wheelera o nazwie: ,delayed-choice thought experiment”: poruszającemu się obiektowi pozostawiona została swoboda w decydowaniu, czy ma się zachowywać jak fala czy jak cząstka. Eksperymentator Wheeler pyta - w którym momencie obiekt ma zdecydować?

Zdrowy rozsądek mówi, że obiekt może być zarówno falą, jak i cząstką, niezależnie od tego, jak mierzymy go. Ale fizyka kwantowa przewiduje, że to, czy obserwujemy zachowanie falowe, czy też nie, zależy od tego: jak badany obiekt zostanie zmierzony pod koniec jego ruchu.

To pokazuje, że pomiar jest wszystkim. Na poziomie kwantowym, rzeczywistość nie istnieje, jeśli nie patrzymy na nią.

Pomimo pozornej tajemniczości, wyniki potwierdzają słuszność teorii kwantowej, która rządzi mikro-światem, i umożliwia rozwój wielu technologii, takich jak diody LED, lasery i komputerowe układy scalone.

Zespoli badaczy udało się nie tylko przeprowadzić eksperyment, co wydawało się prawie niemożliwe, kiedy został zaproponowany w 1978 roku, ale także odwrócić oryginalną koncepcję Wheelera wiązek światła odbijanych przez lustro - zamiast tego uzyskano atomy rozproszone przez światło lasera.

Przewidywania fizyki kwantowej co do interferencji fal wydają się dziwne, ale wnioski po wykonaniu eksperymentu z atomami, które mają masę i oddziałują ze sobą, przeistaczają ową dziwność w dziwaczność.

Zespół badaczy uwięził zbiór atomów helu w stanie zawieszenia znanym jako kondensat Bosego-Einsteina, a następnie pozbywał się kolejnych z nich, dopóki nie został jeden atom.

Pojedynczy pozostały atom został upuszczony na parę przeciwbieżnych wiązek laserowych, które utworzyły coś na kształt kraty, działające w taki sam sposób, jak solidne kraty, które rozpraszają światło.

Drugie światło składające się na kratę została dodane przypadkowo, co prowadziło do konstruktywnej lub destruktywnej interferencji – jakby atom podróżował po obu ścieżkach naraz. Kiedy drugie światło nie zostawało dodane, interferencja nie została zaobserwowana – jakby atom wybrał tylko jedną ścieżkę.

Jednakże należy dodać, iż dodatkowe światło powodujące powstawanie kraty dodawane było już po tym, jak atom został zrzucone na laserowe wiązki.

Jeżeli przyjmiemy za pewnik, że atom w istocie wybrał konkretną jedną ze ścieżek, to oczywistym jest, że późniejszy pomiar atomu określił jego przeszłość.

Bezpieczeństwo informacji w Internecie

Analogicznie, jak hakerzy, którzy nabywają umiejętności coraz bardziej wyrafinowanych aktów cyber-przestępczości, konieczne jest, abyśmy my szukali nowych technologii, aby nasze systemy komputerowe były bardziej bezpieczne, a potencjalnie unhackable.

W przypadku niektórych typów hackowania, wiemy już, że ostateczną odpowiedzią jest fizyka kwantowa - a to dzięki sposobom dzielenia się informacjami z poziomu absolutnego bezpieczeństwa, gwarantowanego przez prawa natury.

Podstawowa idea komunikacji kwantowej jest prosta i elegancka. Ale proste pomysły często rozbijają się w kontakcie z rzeczywistością.

Na szczęście przedmiotem badań fizyki kwantowej jest zapewnienie jeszcze bardziej zaawansowanych narzędzi. Technologia nie jest jeszcze dojrzała, ale to przyjdzie z czasem.

                                          http://www.physicsworld.com

Powiedzmy, że każda z dwóch osób chcących się skontaktować za pośrednictwem internetu posiada identyczną listę liczb losowych. Mogą one korzystać z tej listy jako z tajnego klucza do kodowania i wysyłać wiadomości. Powstaje pierwsze pytanie: jak oni podzielą się tym kluczem?

Konwencjonalnymi metodami, które nie korzystają z fizyki kwantowej, osoba A wysyła osobie B klucz, który składa się ze zwykłych bitów (0 i 1) informacji. Jednak możliwe jest, że klucz może być przechwycony, a następnie wiadomości zostaną przesyłane skopiowane. To zagraża bezpieczeństwu, ponieważ jeśli klucz nie jest już prywatny, to inni mogą używać go do odszyfrowania wiadomości.

To jest punkt, gdy z pomocą przychodzi fizyka kwantowa. Zacznijmy od prostej wersji. A wysyła B klucz za pomocą bitów kwantowych (qubitów), zamiast regularnych bitów. Aby to zrobić, A może używać fotonów, które są pojedynczymi cząstkami światła.

W przeciwieństwie do zwykłych bitów komputerowych, qubity fotonów mogą przybierać jednocześnie wartości 0 i 1 - w tym samym czasie. To jest ten sam mechanizm, kiedy kot Schrodingera jest martwy i żywy w słynnym eksperymencie myślowym. Qubity fotonów można przygotować w zwykłych 0 lub 1 stanach, lub w stanach superpozycji i wybierając je losowo sprawić, że ​​klucz będzie bezpieczny.

Fotony przestrzegają zasady nieoznaczoności Heisenberga, tak, że jeśli hacker zmierzy je, to zmieni zawartą w nich informację

Zmiana ta ujawnia, czy nastąpił hack do kodu; jeżeli tak, to można wyrzucić klucz, zamiast używać go do kodowania wiadomości. Jeśli nie ma hacka, wtedy mogą używać klucza prywatnego do kodowania wiadomości z poziomu absolutnego bezpieczeństwa.

Ta prosta wersja kwantowej wymiany klucza (QKD) zabezpiecza przykładowo światłowód przed włamaniami.

Ale czy A i B mogą być pewni, że ich dostawcy urządzeń nie jest w zmowie z hackerem? Cyberprzestępcy są bardzo dobrzy w tworzeniu zaawansowanych sieci, skąd więc wiadomo komu zaufać?

Odpowiedź jest kwantowe splątanie. Dwa splątane fotony mają stany kwantowe powiązane: pomiar informacji przechowywane w jednym fotonu mówi o informacji w innych.

Efekt ten utrzymuje nawet, jeśli dwa fotonów są oddalone od siebie, nawet jeśli znajdują się po przeciwnych stronach Ziemi.

Okazuje się, że pomiar pierwszego fotonu zawsze daje losowy wynik, losowe bit 0 lub 1. Czy jest to przydatne? Powinno: jeśli A i B - każdy z osobna, wykonają taki sam pomiar na oddzielnych fotonach z splątanej pary, będą dysponowali wspólnym numerem. Przez powtarzanie tego w wielu splątanych parach mogą wygenerować tajny klucz.

A sprawdza splątaną parę fotonów i wysyła jeden do B. Jeśli losowy wynik pomiaru A ma wartość 0, to pomiar B przyniesie również 0.

Kontynuując, budują się długi ciąg bitów losowych, które będą stanowić ich tajny klucz. Wszelkie próby hackera w celu mierzenia jednego z fotonów złamie uwikłanie, co A i B mogą wykryć.

Więc jeśli A i B mogą sprawdzić, czy istnieje splątanie, to kanał jest sprawdzony i godny zaufania

Początki

Wszechświat mógł istnieć od zawsze - zgodnie z nowym modelem, który wykorzystuje poprawki kwantowe jako uzupełnienie ogólnej teorii względności Einsteina. Model ten może również mieć zastosowanie dla: ciemnej materii i ciemnej energii, stając się rozwiązaniem dla wielu problemów naraz.

Powszechnie szacuje się wiek Wszechświata - wedle ogólnej teorii względności - na 13800000000 lat. Na początku istniał jeden nieskończenie gęsty punkt lub osobliwość. Dopiero po tym momencie wszechświat zaczął się rozwijać: nastąpił „Wielki wybuch”, czyli wszechświat oficjalnie rozpoczął swe istnienie.

Aczkolwiek Wielkiego wybuch osobliwości wynika bezpośrednio i nieunikniony sposób z matematyki ogólnej teorii względności, niektórzy naukowcy postrzegają to jako zagadnienie problematyczne, ponieważ matematyka może wyjaśnić tylko to, co od razu stało się po, a nie przed lub w trakcie trwania osobliwości.

Nowy model nie stoi w sprzeczności z teorią Wielkiego wybuchu, ale zakłada lecz Wielki wybuch nie był związany z osobliwością. Jednak jeżeli nie było osobliwości – a taką możliwość zakłada powyższy model – nie było też początku wszechświata; istniał jako potencjał kwantowy, aż zapadł się do gorącego, gęstego stanu znanego jako Wielki Wybuch. 

Ciemna energia

W astronomii i kosmologii fizycznej, ciemna energia jest hipotetyczną formą energii, która przenika całą przestrzeń kosmiczną i ma tendencję do zwiększenia tempa ekspansji Wszechświata. Ciemna energia jest najbardziej popularnym sposobem na wyjaśnienie ostatnich obserwacji, mówiących że wszechświat wydaje rozwijać się w coraz szybszym tempie. Obecnie, w standardowym modelu kosmologii: ciemna energia stanowi 74% całkowitej masy- energii Wszechświata.

http://www.deus-consortium.org

Dwie proponowane formy dla ciemnej energii to: stała kosmologiczna – energia o stałej gęstości wypełniająca przestrzeń równomiernie i skalarne pola takie jak kwintesencja lub przestrzenie moduli - których gęstość energii może zmieniać się w czasie i przestrzeni. Stała kosmologiczna jest fizycznie równoważna energii próżni. Pola, które są skalarne, zmieniają się w przestrzeni i mogą być trudne do odróżnienia od stałej kosmologicznej, ponieważ zmiana może być bardzo powolna.

Precyzyjne pomiary ekspansji Wszechświata muszą uwzględniać: jak owa ekspansja zmienia tempo w czasie. W ogólnej teorii względności, ewolucja tempa ekspansji jest określana przez kosmologiczne równania stanu. Pomiar równania stanu ciemnej energii jest obecnie jednym z największych osiągnięć w kosmologii obserwacyjnej.

Generalnie rzecz biorąc: ciemna energia jest stosowana jako podstawowy składnik w próbie sformułowania cyklicznego modelu wszechświata.

Rytmy

Sobota sprzyja wycieczkom po mieście Gliwice. Wieczorem - tym bardziej dzięki chłodnej temperaturze - kuszą kameralne imprezy o wydźwięku kulturalnym. Wszedłem do Stacji Rynek; o dziwo otwarta była ubikacja. Odbywały się eliminacje do festiwalu, albo konkursu, "Rytmy".

Kiedy wchodziłem, licealistka ze zgrabnymi nogami uśmiechnęła się, bo też tam zmierzała. Potem wszedłem: konferansjer zapowiadał imprezę:

No i zaczęło się. Z rozpędu nagrałem pierwszy występ po wejściu.

A to jest gwiazda. Gwiazda, ponieważ wyróżniał się na tle uduchowionych licealistek z województwa Śląskiego. Nawiasem mówiąc szacunek; plejada wywodziła się z Cieszyna, Dąbrowy Górniczej...

Ok, pełniejsza wersja.

Dead and alive

Fizycy z Uniwersytetu w Sussex, w ich dążeniu do opracowania nowej generacji maszyn zdolnych do zrewolucjonizowania sposobu, w jaki możemy rozwiązać wiele problemów współczesnej nauki, okiełznali jedno z najbardziej sprzecznych z intuicją zjawisk współczesnej nauki.


Dziwna i tajemnicza natura mechaniki kwantowej jest często ilustrowana za pomocą eksperymentu myślowego, znanego jako: „Kot Schrӧdingera”, w którym teoretycznie kot jest martwy i żywy jednocześnie.

W wyniku nowego badania fizykom z Sussex udało się stworzyć specjalny typ kota Schrӧdingera wykorzystując technologię opartą na uwięzionych jonach i promieniowaniu mikrofalowym.

Owe jony, podobnie jak kot, egzystują jednocześnie w dwóch stanach, a dzieję się to poprzez stworzenie efektu splątania – podważającego naturę rzeczywistości.


Uwięzione jony są początkiem drogi do skonstruowania niezwykłego komputera mogącego pracować z niesamowitą prędkością, a wszystko to dzięki teorii zwanej „fizyka kwantowa”.


Tradycyjnie lasery wykorzystywane są do prowadzenia procesów kwantowych, jednak w tym przypadku: miliony stabilnych wiązek musiałyby być dokładnie ustawione, aby móc pracować z bardzo dużą ilością jonów wymaganych do kodowania użytecznych ilości danych.


W praktyce o wiele łatwiej byłoby zbudować komputer kwantowy, który wykorzystuje, zamiast laserów dla wszystkich operacji kwantowych, promieniowanie mikrofalowe, ponieważ, tak jak w standardowej mikrofalówce, promieniowanie jest łatwo nadawać na dużej powierzchni za pomocą dobrze rozwiniętej i stabilnej z natury technologii.


Zdolność naukowców do stworzenia w pełni kontrolowanych koto - jonów Schrӧdingera, przy użyciu mikrofal zamiast laserów, stanowi znaczący krok w kierunku realizacji mikrofalowego kwantowego komputera.

Kot Schroedingera

Kot Schrödingera to odwieczny dylemat w mechanice kwantowej: czy jest to kot jednocześnie żywy i martwy, czy to tylko dziwactwo w naszej głowie.

Naukowcy z University of Queensland zrobili znaczny postęp w odpowiedzi na to pytanie.

Korzystając z czterowymiarowych stanów fotonów i poddając je bardzo dokładnym pomiarom wykluczyli popularny pogląd, że opisany kot jest martwy i żywy tylko ze względu na brak wiedzy na temat jego rzeczywistego stanu. Jak w przypadku wszystkich obiektów w fizyce kwantowej, kot jest opisany przez falową funkcję kwantową.

Dr Alessandro Fedrizzi, z UQ Szkoła Matematyki i Fizyki, wyjaśnia, że chociaż falowa funkcja kwantowa jest naszym głównym narzędziem do opisu systemów fizycznych w mechanice kwantowej, nadal nie jest jasne, czym właściwie jest.

Czy stanowi jedynie ograniczoną wiedzę o rzeczywistym stanie obiektu, czy jest w bezpośredniej kontakcie z rzeczywistością?


A czy w ogóle istnieje obiektywna rzeczywistość?


Debata ta przez dziesięciolecia pozostawała czysto teoretyczną, aż do chwili, kiedy zaproponowano testy w celu odpowiedzi na to pytanie.


Wyniki testów sugerują, że jeśli istnieje obiektywna rzeczywistość, to falowa funkcja kwantowa odpowiada tej rzeczywistości.

Innymi słowy, kot Schrödingera naprawdę jest w stanie być zarówno żywy, jak i martwy. Idąc dalej tym tokiem myślenia: albo funkcja falowa jest całkowicie prawdziwa, albo nic nie jest.

Źródło zdjęcia:http://pudelekx.pl/kot-schrodingera-11176

Prawa powszechne i niedoceniane

Na świecie istnieją prawa.

Wiele z nich, po zastosowaniu odpowiednich „procedur” ma przynieść efekt. Istnieją ku temu dowody w postaci konkretnych faktów; istnieją także przesłanki, wzmacniające przekonanie – często także przez presupozycję - iż „tak być musi, a nie inaczej” – i rzeczywiście tak właśnie jest. Można to sprawdzić, co więcej: można podeprzeć daną tezę innymi sprawdzalnymi tezami.

Vilfredo Pareto jest autorem zasady opisującej pewien schemat zjawisk: 80% zasobów powodowane jest przez 20% obiektów. Wielu zna tą zasadę w teorii. Mniej liczna grupa pamięta o niej. Pewnie jeszcze mniej liczba uświadamia sobie i stosuje ją. Jeżeli ktoś ją pojmie, to wkracza do pewnego, na wyrost można by powiedzieć, hermetycznego grona.

William Ockham jest wiązany z inną zasadą, mianowicie: wyjaśniając zjawiska należy dążyć do prostoty, wybierając takie, które opierają się na najmniejszej liczbie założeń i pojęć.