Franken-Physik: Atome in zwei Teile gespalten & wieder zusammensetzen

Physiker haben nur steigerte ihre Ante: nicht nur haben sie Spalten Atome aber noch schwieriger, sie habe setzte sie wieder zusammen.

Ihr Geheimnis? Die Quantenphysik. Ein Team von Wissenschaftlern konnte "split" ein Atom in seinen zwei mögliche Spinzustände rauf und runter, und Messen Sie den Unterschied zwischen ihnen sogar, nachdem das Atom die Eigenschaften eines einzelnen Staates fortgesetzt.

Die Forschung war nicht nur Spielzeit für Quantenphysiker: es könnte sein, dass ein Sprungbrett in Richtung der Entwicklung eines Quantencomputers, eine Möglichkeit, Quantensysteme simulieren (wie Pflanzen Photosynthese und andere natürliche Prozesse scheinen zu sein) das würde helfen, komplexe Probleme zu lösen, wesentlich effizienter als die heutigen Computer können.

Das Team an der Universität Bonn in Deutschland hat eine Abwandlung der berühmte Doppelspaltexperiment, das zeigt wie scheinbar feste Teilchen (Atome, Elektronen und dergleichen) Verhalten können, wie Wellen. Die Forscher fanden heraus, daß sie ein Atoms an zwei Orten gleichzeitig einsenden, getrennt durch 10 Mikrometer (ein Hundertstel Millimeter – eine große Distanz für ein Atom). [Grafik: kleinsten Teilchen der Natur erklärt]

Doppelspalte

In die klassische Doppelspaltexperiment Atome werden an einer Wand mit zwei Pausen in ihm ausgelöst, und sie durchqueren auf die andere Seite, wo sie einen Detektor, Schaffung der Art von Interferenzmuster erwartet von einer Welle getroffen. Wenn Atome so wir intuitiv Teilchen benommen Verhalten erwarten, sollten sie aus einem Schlitz oder andere, mit kein Interferenzmuster entstehen. Mehr und mehr Atome durch die Schlitze im Laufe sollte ein Cluster von ihnen rund um die zwei Punkte hinter den Schlitzen.

Da dies die Quantenmechanik ist, das ist nicht das, was passiert.

Stattdessen gibt es ein Interferenzmuster, das zeigt, Berge und Täler. Die Atome Verhalten sich wie Lichtwellen. Das Atom ist an zwei Orten zugleich.

Aber wenn Sie versuchen, das Atom in einem oder beiden Orten, es "kollabiert", als der Akt der Beobachtung bestimmt es sein Schicksal; Somit verschwindet das Interferenzmuster.

Atomare Zwillinge

Im Experiment an Bonn feuerte die Forscher zwei Laser in Folge an ein einzelnes Atom von Cäsium, nach links oder rechts bewegen. Die Laser ermöglichte den Forschern zur Kontrolle der Bewegung des Atoms genau, in einer Weise, die nicht der altmodische Doppelspalt würde. (Vor dem Brand die Laser, gekühlt, die Forscher das Atom, in ein Haar des absoluten Nullpunkts beseitigt die meisten seiner eigenen Bewegung.)

Jedes Atom hat einen Spin-Zustand, die entweder nach oben oder unten ist. Durch Verschieben der Atom in zwei Richtungen gleichzeitig (mit beiden Lasern), konnten die Wissenschaftler zu machen, "Split." Im Gegensatz zu Spaltung eines Atoms in seine konstituierenden Elementarteilchen, war wie im radioaktiven Zerfall geschieht in diesem Fall das Atom im Wesentlichen in einer Reihe von Zwillingen aufzuteilen. Es wurde in zwei Staaten auf einmal – rauf und runter. [Verdreht Physik: 7 mind-blowing Ergebnisse]

Es ist nicht möglich, beide Staaten auf einmal zu sehen. Würde man versuchen, den Zustand des Atoms zu messen, würde es "in einem einzigen Staat zusammenbrechen". Aber wenn man das Atom am Ende seiner Reise betrachtet, die Kombination der beiden Staaten gemessen werden kann.

Seit Atome — und andere Quantenteilchen — wie Wellen Verhalten, sie haben Phasen, genauso wie Wellen. (Die Phase ist der Punkt im Zyklus einer Welle und wird durch Grad gemessen. Zwei Wellen, die die gleiche Form und 180 Grad phasenverschoben miteinander werden gegenseitig aufheben, da der Trog deckt sich mit den anderen Kamm. Wellen phasengleich mit einander werden addieren wie ein Kamm mit dem Wappen der anderen richtet).

Der Laser verzerrt die Welle Phase, wenn das Atom nach links oder rechts bewegt. So gibt es jetzt ein Unterschied in den Phasen der beiden Spinzustände wenn das Atom am Bestimmungsort ankommt und ist nicht mehr "aufteilen". Obwohl es nicht möglich ist, beide Staaten auf einmal zu sehen, schaut man sich das Atom am Ende seiner Reise, kann die Kombination der beiden Staaten gemessen werden.

Steuerung von qubits

Neben der Messung die Phasendifferenz, sahen die Forscher auch "delocalization" – der doppelte Weg durch den Raum das Atom nimmt – in einem größeren Abstand als je zuvor in der Größenordnung von Mikrometern im Gegensatz zu Nanometern.

Es ist diese Doppelnatur, genannt einen überlagerten Zustand der Atome, die Quanten-Computern so mächtig machen würde. Die Bits (bekannt als "Qubits") wäre in mehr als einem Staat auf einmal damit für Berechnungen, die normale Computer extrem lange dauern würde. Es bedeutet auch, dass Quanten-Computern für die Simulation von anderen Quantensystemen nützlich sein könnte.

Physiker Andrea Alberti, einer der Co-Autoren des Papiers, sagte deshalb, dass in der Zukunft wollen die Forscher experimentieren mit mehr Atomen. "Mit zwei Atomen, haben Sie vier verschiedene Bahnen, aber nur eine ist, wo sie sind"treffen"," sagte er. Durch die Kontrolle der Phase mehr Atome, haben Sie mehr Bits. Man könnte es als zwei Bits in allen vier möglichen Zuständen auf einmal vorstellen.

Es ist nicht klar, sagte er, welche minimale Anzahl von Bits erforderlich wäre, um eine funktionierende Quantencomputer zu machen. Aber dadurch, dass Wissenschaftler die Phase-Staaten eines einzelnen Atoms steuern können, dass es möglich ist, das gleiche tun mit mehr als einer sein sollte.

Der Punkt, Alberti, sagte, soll eine Möglichkeit der Simulation von Quantensystemen zu bauen. Gerade jetzt ist deshalb schwierig, weil die Berechnungen so komplex sind. Aber eine Quantum computing System eignet sich für solche Berechnungen besser als ein klassischer Computer tut.