КВАНТОВА ФІЗИКА

Квантова фізика - це розділ теоретичної фізики, в якому вивчаються квантово-механічні та квантово-польові системи і закони їх руху. Основні закони квантової фізики вивчаються в рамках квантової механіки і квантової теорії поля і застосовуються в інших розділах фізики.

Всі сучасні космологічні теорії також спираються на квантову механіку, яка описує поведінку атомних і субатомних частинок.

КВАНТОВА МЕХАНІКА, ЯК ПІДРОЗДІЛ КВАНТОВОЇ ФІЗИКИ

Квантова механіка — основоположна фізична теорія, що в описі мікроскопічних об'єктів розширює, уточнює і поєднує результати класичної механіки і класичної електродинаміки. Ця теорія є основою для багатьох напрямів фізики та хімії і охоплює фізику твердого тіла, квантову хімію та фізику елементарних частинок. Яка пов'язана з дискретними порціями, які теорія надає певним фізичним величинам, наприклад, енергії електромагнітної хвилі.

Електромагнітне випромінювання — взаємопов'язані коливання електричного (Е) i магнітного (B) полів, що утворюють електромагнітне поле, а також процес утворення вільного електромагнітного поля за нерівномірного руху та взаємодії електричних зарядів.

Існують такі експерименти, які неможливо пояснити без залучення квантової механіки. Перший різновид квантових ефектів — квантування певних фізичних величин. Якщо локалізувати вільну частинку з розглянутого вище прикладу у прямокутній потенціальній ямі — області простору розміром L, обмеженій з обох боків нескінченно високим потенціальним бар'єром, то виявиться, що імпульс частинки може мати лише певні дискретні значення:

де, h - стала Планка, n - довільне натуральне число.

Потенціальна яма — скінченна область простору, в якій потенціальна енергія частинки менша, ніж зовні.

Стала Планка — елементарний квант дії, фундаментальна фізична величина, яка відображає квантову природу Всесвіту.

У квантовій механіці термін квантування вживається у кількох близьких, але різних значеннях.

• Квантуванням називають дискретизацію значень фізичної величини, що в класичній фізиці є неперервною. Наприклад, електрони у атомах можуть перебувати тільки на певних орбіталях із певними значеннями енергії. Інший приклад — орбітальний момент квантово-механічної частинки може мати лише цілком визначені значення. Дискретизація енергетичних рівнів фізичної системи при зменшенні розмірів називається розмірним квантуванням.
• Квантуванням називають також перехід від класичного опису фізичної системи до квантового. Зокрема, процедура розкладу класичних полів (наприклад, електромагнітного поля) на нормальні моди й подання їх у вигляді квантів поля (для електромагнітного поля — це фотони) називається вторинним квантуванням.

Ще один квантовий ефект — це корпускулярно-хвильовий дуалізм. Можна показати, що за певних умов проведення експерименту, мікроскопічні об'єкти, такі як атоми або електрони, набувають властивостей частинок (тобто можуть бути локалізовані в певній області простору). За інших умов, ті самі об'єкти набувають властивостей хвиль та демонструють такі ефекти, як інтерференція.

Наступний квантовий ефект — це ефект сплутаних квантових станів. В деяких випадках вектор стану системи з багатьох частинок не може бути поданий як сума окремих хвильових функцій, які б відповідали кожній з частинок.

В такому випадку кажуть, що стани частинок сплутані. І тоді, вимірювання, яке було проведено лише для однієї частинки, матиме результатом колапс загальної хвильової функції системи, тобто таке вимірювання буде мати миттєвий вплив на хвильові функції інших частинок системи, хай навіть деякі з них знаходяться на значній відстані. (Це не суперечить спеціальній теорії відносності, оскільки передача інформації на відстань в такий спосіб неможлива.)

КОРПУСКУЛЯРНО-ХВИЛЬОВИЙ ДУАЛІЗМ

Корпускуля́рно-хвильови́й дуалі́зм — запропонована Луї де Бройлем гіпотеза про те, що будь-яка елементарна частинка має хвильові властивості, а будь-яка хвиля має властивості, характерні для частинки.

Досліди по дифракції, інтерференції і поляризації світла, проведені в XIX столітті були яскравим підтвердженням хвильової природи світла. З іншого боку, у 1897 році були продемонстровані корпускулярні властивості частинок електрики.

Дифракція — явище, що виникає при поширенні хвиль (наприклад, світлових і звукових хвиль). Суть цього явища полягає в тому, що хвиля здатна оминати перешкоди.

Це зумовлює те, що хвильовий рух спостерігається в області за перешкодою, куди хвиля не може потрапити прямо. Явище пояснюється інтерференцією хвиль на краях непрозорих об'єктів або неоднорідностях між різними середовищами на шляху поширення хвилі. Прикладом може бути виникнення кольорових світлових смуг в області тіні від краю непрозорого екрану.

Інтерференція світла — перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладення (суперпозиції) декількох когерентних світлових хвиль. Це явище супроводжується чергуванням в просторі максимумів і мінімумів інтенсивності. Її розподіл називається інтерференційною картиною.

Когерентні хвилі – це хвилі з однаковою частотою і сталою різницею фаз.

КВАНТОВА ЗАПУТАНІСТЬ

Квантова заплутаність — квантовомеханічне явище, при якому квантовий стан двох або більшої кількості об'єктів повинен описуватися у взаємозв'язку один з одним, навіть якщо окремі об'єкти рознесені в просторі. Внаслідок цього виникають кореляції між спостережуваними фізичними властивостями об'єктів.

Наприклад, гіпотетично можна так приготувати дві частинки в єдиному квантовому стані, що коли одна частинка спостерігається в стані зі спіном, спрямованим вгору, то спін іншої виявляється спрямованим вниз, і навпаки, і це попри те, що за принципами квантової механіки, передбачити, яка частинка фактично рухатиметься в заданому напрямку, неможливо.

Іншими словами, створюється враження, що вимірювання над однією системою миттєво впливають на систему, сплутану з нею. Однак те, що розуміється під інформацією в класичному сенсі, все-таки не може бути передано через заплутаність швидше, ніж зі швидкістю світла.

У 1935 році Ейнштейн, Подольський і Розен сформулювали знаменитий парадокс Ейнштейна — Подольського — Розена, який показав, що через заплутаність квантова механіка стає засобом миттєвого обміну повідомленнями. Відомо, як Ейнштейн висміював заплутаність, називаючи її «страховидною дією на відстані» (spooky action at distance). Природно нелокальність заплутаності суперечила постулату теорії відносності про граничну швидкість пересилання сигналу (швидкість світла).

З іншого боку, квантова механіка чудово зарекомендувалася в передбаченні експериментальних результатів. Фактично спостерігалися навіть сильні кореляції, що відбуваються завдяки феномену заплутування.

Є спосіб, який дозволяє, здавалося б, успішно пояснити квантове заплутування — підхід теорії прихованих параметрів, при якому за кореляції відповідають цілком визначені, але невідомі мікроскопічні параметри. Проте, в 1964 році Джон Стюарт Белл сформулював теорему, яка дозволяє розрізнити результати, передбачені квантовою механікою, та результати, які передбачаються широким класом теорій з локальними прихованими параметрами.

Результати експериментальних перевірок надали підтвердження квантової механіки. Існують заперечення, що в цих експериментах є ряд вузьких місць, але загальновизнано, що вони несуттєві.

Заплутування призводить до цікавих взаємин з принципом відносності, який стверджує, що інформація не може переноситися з місця на місце швидше, ніж швидкістю світла. Хоча дві системи можуть бути розділені великою відстанню і бути при цьому заплутаними, передати через зв'язок між ними корисну інформацію неможливо, тому через заплутаність причинність не порушується. Це відбувається з двох причин:

1. Результати вимірювань у квантовій механіці мають принципово ймовірнісний характер;
2. Теорема про клонування квантового стану забороняє статистичну перевірку заплутаних станів.

ОТРИМАННЯ ЗАПЛУТАНИХ СТАНІВ

Генерація заплутаних фотонів в результаті спонтанного параметричного розсіяння (СПР) лазерного потоку в нелінійному кристалі.

У найпростішому випадку джерелом S потоків заплутаних фотонів слугує певний нелінійний матеріал, на який спрямовується лазерний потік певної частоти та інтенсивності (схема з одним емітером). В результаті спонтанного параметричного розсіювання (СПР) на виході виходять два конуси поляризації H та V, що несуть пари фотонів у заплутаному квантовому стані (біфотони).

При СПР II типу під впливом поляризованого лазерного випромінювання накачування в кристалі бета-борату барію спонтанно народжуються біфотони, сума частот яких дорівнює частоті випромінювання накачування

А поляризації ортогональні в базисі, який визначається орієнтацією кристалу. Завдяки подвійному променезаломлюванню, при певних умовах фотони мають одну частоту і випромінюються уздовж двох конусів, які не мають загальної осі. При цьому в одному конусі поляризація вертикальна, а в другому — горизонтальна (стосовно орієнтації кристалу і поляризації випромінювання накачування).

ЗАСТОСУВАННЯ КВАНТОВОЇ ЗАПУТАНОСТІ

КВАНТОВА КОМУНІКАЦІЯ

Теорія квантової механіки забороняє передачу інформацію з надсвітловою швидкістю. Це пояснюється принципово ймовірнісним характером вимірювань і теоремою про заборону клонування. Уявімо рознесених у просторі спостерігачів А і Б, у яких є по примірнику квантово-заплутаних ящиків з котами Шредінгера, що знаходяться в суперпозиції «живий-мертвий».

Якщо в момент t1 спостерігач А відкриває ящик, то його кіт рівноймовірно виявляється або живим, або мертвим. Якщо живим, то в момент t2 спостерігач Б відкриває свій ящик і знаходить там мертвого кота. Проблема в тому, що до вихідного вимірювання немає можливості передбачити, у кого саме що опиниться, а після — один кіт живий, інший мертвий, і тому ситуацію не повернути.

Обхід класичних обмежень був знайдений в 2006 році А. Коротковим і Е. Джорданом з Каліфорнійського університетуякого з них за рахунок слабких квантових вимірювань. Продовжуючи аналогію, виявилося, що можна не відкривати скриньку, а лише трохи підняти її кришку і підглянути в щілинку. Якщо стан кота невизначений, то кришку можна відразу закрити і спробувати ще раз. У 2008 році інша група дослідників з Каліфорнійського університетуякого з них оголосила про успішну експериментальну перевірку даної теорії. «Реінкарнація» кота Шредінгера стала можливою. Спостерігач А тепер може відкривати і закривати кришку скриньки, доки не переконається, що у спостерігача Б кіт виявиться в потрібному стані.

Відкриття можливості «зворотного колапсу» багато в чому перевернуло уявлення про базові принципи квантової механіки: Виникла ідея не просто передачі потоків заплутаних часток у рознесені в просторі приймачі, але і зберігання таких частинок невизначено довгий час у приймачах в стані суперпозиції для «подальшого використання».

У перекладі на звичайну мову це означало, що теоретично (математично) можуть існувати ситуації, при яких пучок фотонів або окремий фотон буде нескінченно циркулювати по складній замкнутій траєкторії, виписуючи тор у просторі. До недавнього часу це залишалося просто ще однією математичною абстракцією.

У 2008 році американські дослідники зайнялися аналізом таких біфуркації то можливістю їхньої фізичної реалізації. В результаті було знайдено стабільні розв'язки і технічні способи, що дозволяють їх реалізувати. Виявилося, що пучок світла справді можна «згорнути в бублик» (точніше — в замкнутий тороїдальний вузол) і «покласти на місце», і такий стан залишиться стабільним і самопідтримуваним.

На вересень 2011 про успішні лабораторні реалізації не повідомлялося, але тепер це питання технічних труднощів, а не фізичних обмежень.

Крім проблеми «суперпозиції» заплутаних часток залишається невирішеною проблема декогеренції, тобто втрати частинками заплутаності згодом через взаємодію з навколишнім середовищем. Навіть у фізичному вакуумі залишаються віртуальні частинки, які цілком успішно деформують фізичні тіла, як показує ефект Казимира, і, отже, теоретично можуть впливати на заплутані частинки.

Квантова декогеренція — один із підходів до проблеми вимірювання в квантовій механіці, у рамках якого квантова система втрачає свою когерентність поступово внаслідок взаємодії з термостатом. Підхід є альтернативним до ідеї колапсу хвильової функції, постулювання раптової, стрибкоподібної втрати системою своєї квантовості. Процес декогеренції є незворотнім.

Ефект Казимира — слабка взаємодія між двома металевими пластинами у вакуумі, зумовлена квантуванням нульових коливань електромагнітного поля.

Нульові коливання — зумовлені принципом невизначеності коливання квантовомеханічної системи у стані з мінімальною енергією.

Принцип невизначеності є фундаментальною засадою квантової механіки, яка стверджує, що принципово неможливо одночасно виміряти з довільною точністю координати й імпульси квантового об'єкта. Це твердження справедливе не лише щодо вимірювання, а й щодо теоретичної побудови квантового стану системи. Тобто, неможливо побудувати такий квантовий стан, в якому система одночасно характеризувалася б точними значеннями координати та імпульсу.

ЗАСТОСУВАННЯ КВАНТОВОЇ МЕХАНІКИ

Квантова механіка мала великий успіх в поясненні багатьох феноменів з навколишнього середовища. Поведінка мікроскопічних частинок, які формують усі форми матерії електронів, протонів, нейтронів тощо — часто може бути задовільно пояснена лише методами квантової механіки.

Квантова механіка важлива в розумінні того, як індивідуальні атоми комбінуються між собою та формують хімічні елементи та сполуки. Застосування квантової механіки до хімічних процесів відоме як квантова хімія. Квантова механіка може надати якісно нового розуміння процесам формування хімічних сполук, показуючи, які молекули енергетично вигідніші за інших, та наскільки. Більшість з проведених обчислень, зроблених в обчислювальній хімії, базуються на квантовомеханічних принципах.

Сучасні технології вже досягли того масштабу, де квантові ефекти стають важливими. Прикладами є лазери, транзистори, електронні мікроскопи, магнітно-резонансна томографія. Вивчення напівпровідників призвело до винаходу діода та транзистора, які є незамінними в сучасній електроніці.

Дослідники сьогодні перебувають у пошуках надійних методів прямого маніпулювання квантовими станами. Зроблено успішні спроби створити засади квантової криптографії, яка дозволить гарантовано таємне пересилання інформації. Віддаленіша ціль — розробка квантових комп'ютерів, які очікувано зможуть реалізовувати певні алгоритми з набагато більшою ефективністю, ніж класичні комп'ютери. Інша тема активних досліджень — квантова телепортація, яка має справу з технологіями пересилання квантових станів на значні відстані.