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.