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.