Vi siger, at en meddelelse er usammenhængende, når vi ikke kan klare det, eller når det ikke giver mening. En klemt note, et beruset argument eller en samtale, der finder sted fem borde nede i en overfyldt café, kan alle være usammenhængende. Generelt betyder “sammenhængende” det modsatte – sammenhængende, forbundet, klar.
I videnskaben får ordet sammenhæng mere specifikke, matematiske definitioner, men de får alle på et lignende koncept: noget er sammenhængende, hvis det kan forstås, hvis det danner en samlet helhed, og hvis de to første kvaliteter fortsætter.
Forskere udviklede oprindeligt begrebet sammenhæng for at forstå og beskrive lysets bølgeagtige opførsel. Siden da er konceptet blevet generaliseret til andre systemer, der involverer bølger, såsom akustiske, elektroniske og kvantemekaniske systemer.
“Sammenhæng er et mål for, hvor godt visse systemer vil opretholde deres forhold til hinanden, og hvor godt vi er i stand til at forudsige udviklingen af disse systemer,” sagde Martin Holt, en videnskabsmand ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory og et medlem af Q-Next, et DOE National Quantum Information Science Research Center ledet af Argonne. “Forståelse og kontrol af sammenhæng i kvanteteknologier er afgørende, fordi de involverede forhold skal være meget langvarige og velforståede.”
Ligesom forskere over hele kloden studerer og forbedrer Q-næste forskere sammenhæng i kvantesystemer til teknologier såsom kvanteføling og kvanteberegning. Når disse teknologier først er klar over, vil disse teknologier udnytte sammenhængen til at udføre komplekse beregninger, foretage målinger i høj opløsning og overføre uhakbare beskeder, potentielt revolutionere vores tilgang til kommunikation, cybersikkerhed, simulering, optimering og mere.
Sammenhængende bølger
Forestil dig en bølge, stigende og faldende med jævne mellemrum med en bestemt hastighed (frekvens) og med en bestemt højde eller intensitet (amplitude). Kast nu en anden bølge ind. Hvis de to bølger modregnes fra hinanden – hvis de ikke stiger og falder sammen – siges det at være ude af fase. Det er denne faseforskel, der bestemmer, om bølgerne vil blande sig for at have en forstærkende eller annulleringseffekt på hinanden eller noget derimellem.
Vi ser dette i hverdagen. Konstruktiv interferens opstår, når to sangere forstærker hinandens stemmer, eller når du dobbelter en ven på trampolinen. Destruktiv interferens af lydbølger er princippet bag støjdæmpende hovedtelefoner.
To bølger er sammenhængende, når der er et meningsfuldt forhold mellem deres faser, eller når deres interferens skaber et godt forstået mønster. I det væsentlige er sammenhæng et mål for, hvordan bølgerne i synkronisering er med hinanden. Der er grader af sammenhæng; Bølger kan være mere eller mindre sammenhængende med hinanden.
Lasere er for eksempel designet til at udsende meget sammenhængende lys. De indeholder atomer, der er begejstrede med energi, og udsender efter deres forfald (udsender fotoner (partikler af lys) med den samme frekvens og fase som hinanden. Disse fotoner afviser spejle inden i laseren, der tjener til at forstærke lyset, der kun kører i en bestemt retning og med en bestemt frekvens. Denne specielle interferens – eller sammenhæng – mellem fotoner resulterer i en meget fokuseret og ensartet lysstråle. Lydbølger kan være på lignende måde sammenhængende, og forskere har endda skabt lydlasere eller sasere.
Kvante sammenhæng
I kvantemekanik kan objekter repræsenteres som enten en kombination af bølger eller partikler. I princippet gælder dette for ethvert objekt. Men denne måde at se på ting fungerer bedst, når man håndterer genstande, der er meget små, som fotoner, andre elementære partikler og atomer.
Kvanteobjekter kan beskrives med en speciel type identifikator kaldet en bølgefunktion. Det er en slags bølge på steroider, da det kan indeholde en utrolig mængde information inden for dens matematiske kroge og kroge.
Dette skyldes, at bølgefunktioner er kompositter af bølger selv. Kvantekohærens henviser til faseforholdet mellem disse bølger – dem, der sammen beskriver hele objektet. Når disse bølger forstyrrer sammenhængende måder, giver det anledning til kvantesuperposition, et centralt træk ved kvantemekanik, der gør det muligt for et objekt at eksistere i flere tilstande samtidigt.
Her bliver det unikt kvante. Bølgerne, der komponerer et objekts kvantebølgefunktion, svarer ikke til fysiske værdier, som position eller energi. I stedet svarer de til sandsynligheden for forskellige mulige måder, som objektets tilstand kunne udvikle sig – for eksempel sandsynligheden for, at dens energi vil ændre sig over tid på en bestemt måde, eller sandsynligheden for, at det vil dreje en bestemt måde på en bestemt måde beliggenhed. Quantum Cohærens er en indblanding mellem disse forskellige mulige fremtidige historier om objektet.
Imidlertid kan denne interferens kun eksistere, indtil systemet er observeret eller forstyrret. På det tidspunkt forsvinder interferensen mellem bølgerne, og superpositionen går tabt. Objektet har tilsyneladende kun oplevet en af de mulige historier.
Hvad betyder det for mulige fremtidige historier at blande sig? Og for bølgefunktionen at kollapse i kun en af disse historier? Det er svære spørgsmål. I øjeblikket ved vi mere om, hvordan man bruger denne funktion af kvantemekanik end hvad det betyder for arten af vores virkelighed.
Følelse på kvanteniveau
Sammenhæng er skrøbelig og vanskelig at beskytte. Perfekt isolerede kvanteobjekter og -systemer kan opretholde sammenhængen på ubestemt tid, men det ville være umuligt at manipulere eller undersøge dem.
Når et kvanteobjekt møder andre genstande eller felter, samler det tilfældige påvirkninger fra hver. Selv handlingen med at måle objektet introducerer nødvendigvis støj, hvilket gør sin originale bølgefunktion vanskelig – hvis ikke umulig – for at dechiffrere. Som et resultat går de oplysninger, der blev gemt i det sammenhængende system, tabt i en proces kaldet Decoherence.
Men for nogle applikationer kan decoherence være en fordel.
“Hvis du forbereder et objekt i en bestemt superposition af stater med en bestemt sammenhæng, og du sender det til et miljø med ukendt påvirkning, kan en ændring i objektets faseforhold give meningsfuld information om miljøet,” sagde Jennifer Dionne, en Professor i materialevidenskab og radiologi ved Stanford University og viceadministrerende direktør for Q-Next.
Her er selve kvanteobjektet sensoren. Fordi dets faseforhold er så følsomt, reagerer det på subtile påvirkninger fra miljøet på en stor måde. Denne følsomhed kan muliggøre ekstremt højopløsningsdetektion og billeddannelse. Kvantekohærens giver forskere mulighed for at starte sensoren i en velforstået tilstand, der vil vedvare over tid. Dette gør det lettere at tilbageholde tilbagevirkende som denne tilstand ændrede sig, og hvad disse ændringer betyder om miljøet.
For eksempel udvikler Dionnes laboratorium kvantesensorer til at registrere kraft.
“Vi studerer, hvordan farverne på nanopartikler ændrer sig, når de støder på mekanisk kraft inden for en organisme,” sagde Dionne. “Vi er begyndt at implementere disse sensorer i levende organismer ved hjælp af orme som testpersoner. Da Worms ‘fordøjelseskanaler anvender kraft, får kvanteovergange inden for nanopartiklen, at den ændrer farve, som vi kan læse under fordøjelsen.”
Atomur og gravitationsbølgesensorer er også afhængige af kvantekohærens for ultraprecision. Andre eksempler på fremtidige sensing-applikationer ved anvendelse af kvantekohærens inkluderer miniaturiseret magnetisk resonansafbildning (MRI) -teknologier, som kunne bruges til at scanne enkeltceller eller molekyler eller forbedre opløsningen af MR-scanninger i helorganismen.
Kvantekohærens spiller også en rolle i biologiske systemer. Forskere mener, at fugle bruger kvante sammenhæng af proteiner i deres øjne for at føle Jordens magnetfelt til navigation, som en intern GPS. Forskere udvikler magnetfeltsensorer, der bruger de samme principper til at hjælpe mennesker med at navigere i situationer, hvor satellitbaseret GPS er umulig.
Bølge hej til kvanteberegning
Et sammenhængende objekt kan tjene som en stor sensor. To eller flere kvanteobjekter, der er sammenhængende med hinanden, muliggør kvanteberegning.
Den traditionelle eller klassiske bit på en computer kan eksistere i en af to stater, 0 eller 1. Takket være Quantum Superposition, kan der findes en kvantebit – en qubit – i en kombination af de to stater samtidigt. Sammenhæng er ansvarlig for at opretholde faseforholdet og derfor superpositionen mellem disse stater over tid og rum.
“I kvanteberegning, i stedet for at udføre operationer som tilføjelse eller multiplikation på klassiske bits, udfører du operationer på forskellige komponenter i bølgerne, der udgør bølgefunktionen,” sagde Dionne. “Det er vigtigt at opretholde sammenhængen længe nok, så når computeren udfører operationer, akkumulerer det ikke fejl som de forskellige dele af bølgefunktionen Decohere.”
Sammenhæng er også ansvarlig for at opretholde sammenfiltring, et specielt tilfælde af superposition, der er afgørende for kvanteberegning. Når kvanteobjekter er sammenfiltret, opretholder de en bestemt sammenhæng med hinanden, selvom de fysisk adskilles med store afstande.
“Så længe to sammenfiltrede genstande forbliver sammenhængende med hinanden, kan du udføre en operation på den ene af dem, og det vil give dig oplysninger om den anden,” sagde Dionne.
Sig, at du vil bruge en kvantecomputer til at forudsige succesen med en pizzapart, du planlægger at kaste. Først skal du beslutte, hvilke faktorer der vil bidrage til en vellykket fest, såsom smagen af pizzaen og antallet af gæster. Du tildeler muligvis en qubit til at repræsentere forholdet mellem vand og mel i din pizzadej, uden at 0 repræsenterer intet vand, 1 repræsenterer kun vand og superpositionen mellem dem, der repræsenterer alle mulige forhold. En anden Qubit kunne repræsentere antallet af mennesker, der dukker op, lige fra ingen til alle, du inviterede. Måske repræsenterer en tredje qubit, hvor sandsynligt du er for at brænde din mad, og så videre.
“Du har alle disse sandsynligheder fanget i rene, sammenhængende tilstande, og du lader systemet udvikle sig over tid,” sagde Holt. “Hvis du gentager simuleringen nok, får du sandsynligheden for, hvor vellykket partiet vil være baseret på de faktorer, du kodede i bølgefunktionerne i de sammenfiltrede qubits. Men simuleringen fortsætter kun, hvis staterne er sammenhængende.”
På grund af den måde, information er indlejret i bølgefunktionen, kan bare et lille antal qubits repræsentere meget komplicerede problemer i den virkelige verden med masser af afhængigheder, såsom strømnetoptimering eller finde den mest energieffektive måde at distribuere varer over hele kloden . Jo længere systemet er sammenhængende, jo mere kompliceret kan beregningerne være.
Bevarelse af kvantekohærens
Holts arbejde i Argonne fokuserer på udviklingen af stofbaserede qubits, hvor en defekt-et erstattet atom eller en atomisk ledig stilling, for eksempel-er indlejret i et materiales ellers normale struktur. Selvom forskere forsøger at beskytte manglerne mod decoherence, kan små ændringer i temperatur, tryk eller magnetiske felter indføre støj.
Forestil dig, at du kører på gymnastiksalen, og musik spiller over højttalerne. Du bemærker, at det er vanskeligt at løbe i dit eget tempo i stedet for at løbe til rytmen af musikken, og det ødelægger din strøm.
“Der er et par måder at forhindre dette på,” sagde Holt. “Du kan bære ørepropper, så du er isoleret fra den eksterne indflydelse, eller du kan begynde at løbe markant hurtigere eller langsommere, så det er lettere at afkoble din krops rytme fra musikken. Det er ikke interesseret, fordi du er lige så langt væk fra det. “
For at isolere qubits fra støj holder forskere kvantecomputere meget kolde – nær absolut nul. De afkobler yderligere qubits fra deres omgivelser ved at designe og manipulere staterne for qubits for at reagere på frekvenser af lys eller lyd, som deres omgivelser ikke påvirkes af.
Dette er vanskeligt at opnå, og forskellige typer qubits er lettere at beskytte end andre. Indtil videre kaldes de længst levede qubits fangede atomer, som har vist sig at forblive sammenhængende i flere minutter eller mere. Imidlertid er disse qubits vanskelige at bruge til beregning af applikationer. En nylig demonstration af langvarig sammenhæng blev foretaget af Q-Next Scientists ved Argonne og University of Chicago. Holdet viste, at en bestemt halvleder Qubit – en type qubit, der er mere lovende til kvanteberegning – blev sammenhængende i over fem sekunder.
“Forebyggelse af tab af information gennem decoherence er den hårde del af kvanteinformationsvidenskab, og det er derfor, feltet kaldes det,” sagde Holt. “Det er ikke kun kvantevidenskab, det er informationsbehandling ved hjælp af kvante sammenhæng.”