Die kleinsten Ereignisse haben enorme Konsequenzen. Und kein Gebiet der Wissenschaft zeigt dies besser als die Quantenphysik, die das seltsame Verhalten - meistens - sehr kleiner Dinge untersucht. Im Jahr 2019 gingen Quantenexperimente an neue und noch seltsamere Orte, und das praktische Quantencomputing kam der Realität trotz einiger Kontroversen immer näher. Dies waren die wichtigsten und überraschendsten Quantenereignisse des Jahres 2019.
Google behauptet "Quantenüberlegenheit"
Wenn eine Quantennachricht aus dem Jahr 2019 in die Geschichtsbücher aufgenommen wird, handelt es sich wahrscheinlich um eine große Ankündigung von Google: Das Technologieunternehmen gab bekannt, dass es die "Quantenüberlegenheit" erreicht hat. Das ist eine ausgefallene Art zu sagen, dass Google einen Computer gebaut hat, der bestimmte Aufgaben schneller ausführen kann als jeder klassische Computer. (Die Kategorie der klassischen Computer umfasst alle Computer, die auf normalen alten Einsen und Nullen basieren, z. B. das Gerät, mit dem Sie diesen Artikel lesen.)
Googles Behauptung der Quantenüberlegenheit würde, wenn sie bestätigt würde, einen Wendepunkt in der Geschichte des Rechnens markieren. Quantencomputer stützen sich bei ihren Berechnungen auf seltsame physikalische Effekte im kleinen Maßstab wie Verschränkung sowie bestimmte grundlegende Unsicherheiten im Nanouniversum. Theoretisch bietet diese Qualität diesen Maschinen gewisse Vorteile gegenüber klassischen Computern. Sie können klassische Verschlüsselungsschemata leicht aufheben, perfekt verschlüsselte Nachrichten senden, einige Simulationen schneller ausführen als klassische Computer und im Allgemeinen schwierige Probleme sehr einfach lösen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass niemand jemals einen Quantencomputer schnell genug gemacht hat, um diese theoretischen Vorteile zu nutzen - oder zumindest niemand, bis Google dies in diesem Jahr vollbracht hat.
Allerdings kauft nicht jeder den Vorherrschaftsanspruch des Technologieunternehmens. Subhash Kak, ein Quantenskeptiker und Forscher an der Oklahoma State University, hat in diesem Artikel mehrere Gründe für Live Science dargelegt.
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Das Kilogramm geht Quanten
Ein weiterer Quantenbeugungspunkt für 2019 stammte aus der Welt der Gewichte und Maße. Das Standardkilogramm, das physikalische Objekt, das die Masseneinheit für alle Messungen definierte, war lange Zeit ein 130 Jahre alter Platin-Iridium-Zylinder mit einem Gewicht von 2,2 Pfund. und in einem Raum in Frankreich sitzen. Das hat sich in diesem Jahr geändert.
Das alte Kilo war ziemlich gut und veränderte im Laufe der Jahrzehnte kaum die Masse. Aber das neue Kilo ist perfekt: Basierend auf der fundamentalen Beziehung zwischen Masse und Energie sowie einer Eigenart des Verhaltens von Energie auf Quantenskalen gelang es den Physikern, eine Definition des Kilogramms zu finden, die sich dazwischen überhaupt nicht ändert dieses Jahr und das Ende des Universums.
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Die Realität brach ein wenig
Ein Team von Physikern entwarf ein Quantenexperiment, das zeigte, dass sich die Fakten je nach Ihrer Sicht auf die Situation tatsächlich ändern. Die Physiker führten eine Art "Münzwurf" mit Photonen in einem winzigen Quantencomputer durch und stellten fest, dass die Ergebnisse bei verschiedenen Detektoren je nach Perspektive unterschiedlich waren.
"Wir zeigen, dass in der Mikrowelt der Atome und Teilchen, die von den seltsamen Regeln der Quantenmechanik bestimmt wird, zwei verschiedene Beobachter Anspruch auf ihre eigenen Fakten haben", schrieben die Experimentatoren in einem Artikel für Live Science. "Mit anderen Worten, nach unserer besten Theorie der Bausteine der Natur selbst können Fakten tatsächlich subjektiv sein."
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Verschränkung bekam seinen Glamour-Schuss
Zum ersten Mal machten Physiker ein Foto des Phänomens Albert Einstein, das als "gruselige Fernwirkung" beschrieben wurde, bei dem zwei Teilchen physikalisch verbunden bleiben, obwohl sie über Entfernungen hinweg getrennt sind. Dieses Merkmal der Quantenwelt war lange experimentell verifiziert worden, aber dies war das erste Mal, dass jemand es sah.
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Etwas Großes ging in mehrere Richtungen
In gewisser Weise ermöglicht das konzeptionelle Gegenteil von Verschränkung, Quantenüberlagerung, dass sich ein einzelnes Objekt an zwei (oder mehr) Orten gleichzeitig befindet, eine Folge von Materie, die sowohl als Teilchen als auch als Wellen existiert. Typischerweise wird dies mit winzigen Teilchen wie Elektronen erreicht.
In einem Experiment aus dem Jahr 2019 gelang es den Physikern jedoch, die Überlagerung im größten Maßstab aller Zeiten zu erreichen: unter Verwendung von riesigen 2.000-Atom-Molekülen aus der Welt der Medizin, die als "mit Fluoralkylsulfanylketten angereicherte Oligotetraphenylporphyrine" bekannt sind.
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Hitze durchquerte das Vakuum
Unter normalen Umständen kann Wärme ein Vakuum nur auf eine Weise durchqueren: in Form von Strahlung. (Das ist es, was Sie fühlen, wenn die Sonnenstrahlen an einem Sommertag den Raum durchqueren, um auf Ihr Gesicht zu schlagen.) Andernfalls bewegt sich Wärme in normalen physikalischen Modellen auf zwei Arten: Erstens können angeregte Partikel in andere Partikel klopfen und ihre Energie übertragen . (Wickeln Sie Ihre Hände um eine warme Tasse Tee, um diesen Effekt zu spüren.) Zweitens kann eine warme Flüssigkeit eine kältere Flüssigkeit verdrängen. (Das passiert, wenn Sie die Heizung in Ihrem Auto einschalten und den Innenraum mit warmer Luft überfluten.) Ohne Strahlung kann Wärme also kein Vakuum passieren.
Aber die Quantenphysik bricht wie immer die Regeln. In einem Experiment von 2019 nutzten die Physiker die Tatsache, dass Vakuums auf der Quantenskala nicht wirklich leer sind. Stattdessen sind sie voll von winzigen, zufälligen Schwankungen, die in und aus der Existenz auftauchen. In einem ausreichend kleinen Maßstab, so die Forscher, kann Wärme ein Vakuum durchqueren, indem sie von einer Schwankung zur nächsten über den scheinbar leeren Raum springt.
Lesen Sie mehr über Wärmesprünge im Quantenvakuum des Weltraums.
Ursache und Wirkung könnten rückwärts gegangen sein
Dieser nächste Befund ist weit entfernt von einer experimentell verifizierten Entdeckung und liegt sogar weit außerhalb des Bereichs der traditionellen Quantenphysik. Forscher, die mit der Quantengravitation arbeiten - einem theoretischen Konstrukt, das die Welten der Quantenmechanik und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vereinen soll - zeigten jedoch, dass ein Ereignis unter bestimmten Umständen einen früher auftretenden Effekt hervorrufen kann.
Bestimmte sehr schwere Objekte können aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie den Zeitfluss in ihrer unmittelbaren Umgebung beeinflussen. Wir wissen, dass dies wahr ist. Und die Quantenüberlagerung schreibt vor, dass sich Objekte an mehreren Orten gleichzeitig befinden können. Versetzen Sie ein sehr schweres Objekt (wie einen großen Planeten) in einen Zustand der Quantenüberlagerung, so die Forscher, und Sie können seltsame Szenarien entwerfen, in denen Ursache und Wirkung in der falschen Reihenfolge stattfinden.
Lesen Sie mehr über die Umkehrung von Ursache und Wirkung.
Quantentunneln geknackt
Physiker kennen seit langem einen seltsamen Effekt, der als "Quantentunneling" bekannt ist und bei dem Teilchen scheinbar unpassierbare Barrieren zu passieren scheinen. Es ist jedoch nicht so, dass sie so klein sind, dass sie Löcher finden. Im Jahr 2019 zeigte ein Experiment, wie dies wirklich geschieht.
Die Quantenphysik sagt, dass Teilchen auch Wellen sind, und Sie können sich diese Wellen als Wahrscheinlichkeitsprojektionen für den Ort des Teilchens vorstellen. Aber sie sind immer noch Wellen. Wenn Sie eine Welle gegen eine Barriere im Ozean schlagen, verliert sie etwas Energie, aber auf der anderen Seite erscheint eine kleinere Welle. Ein ähnlicher Effekt tritt in der Quantenwelt auf, fanden die Forscher heraus. Und solange sich auf der anderen Seite der Barriere noch ein bisschen Wahrscheinlichkeitswelle befindet, hat das Partikel die Chance, durch das Hindernis zu gelangen und durch einen Raum zu tunneln, in dem es anscheinend nicht passen sollte.
Lesen Sie mehr über den erstaunlichen Quantentunneleffekt.
Metallischer Wasserstoff könnte auf der Erde aufgetreten sein
Dies war ein großes Jahr für die Ultrahochdruckphysik. Und eine der kühnsten Behauptungen stammte von einem französischen Labor, das bekannt gab, dass es eine heilige Gralsubstanz für die Materialwissenschaften geschaffen hatte: metallischen Wasserstoff. Unter ausreichend hohen Drücken, wie sie im Kern des Jupiter existieren, wird angenommen, dass Einzelprotonen-Wasserstoffatome als Alkalimetall wirken. Aber noch nie zuvor war es jemandem gelungen, einen Druck zu erzeugen, der hoch genug war, um die Wirkung in einem Labor zu demonstrieren. Dieses Jahr gab das Team an, es bei 425 Gigapascal gesehen zu haben (4,2 Millionen Mal der atmosphärische Druck der Erde auf Meereshöhe). Nicht jeder kauft diese Behauptung jedoch.
Lesen Sie mehr über metallischen Wasserstoff.
Wir haben die Quantenschildkröte gesehen
Wenn Sie eine Masse unterkühlter Atome mit einem Magnetfeld zappen, sehen Sie "Quantenfeuerwerk": Atomstrahlen, die in scheinbar zufällige Richtungen abfeuern. Die Forscher vermuteten, dass das Feuerwerk möglicherweise ein Muster aufweist, aber es war nicht nur beim Betrachten offensichtlich. Mithilfe eines Computers entdeckten die Forscher jedoch eine Form des Feuerwerkseffekts: eine Quantenschildkröte. Niemand ist sich noch sicher, warum es diese Form annimmt.
Lesen Sie mehr über die Quantenschildkröte.
Ein winziger Quantencomputer drehte die Zeit zurück
Die Zeit soll sich nur in eine Richtung bewegen: vorwärts. Verschütten Sie etwas Milch auf dem Boden, und es gibt keine Möglichkeit, den Schmutz perfekt auszutrocknen und dieselbe saubere Milch wieder in die Tasse zu geben. Eine sich ausbreitende Quantenwellenfunktion wird nicht aufgehoben.
Außer in diesem Fall war es so. Mit einem winzigen Zwei-Qubit-Quantencomputer konnten Physiker einen Algorithmus schreiben, der jede Welligkeit einer Welle an das Teilchen zurückgibt, das sie erzeugt hat - das Ereignis abwickeln und den Zeitpfeil effektiv zurückdrehen.
Lesen Sie mehr über das Umkehren des Zeitpfeils.
Ein anderer Quantencomputer sah 16 Futures
Ein nettes Merkmal von Quantencomputern, die eher auf Überlagerungen als auf Einsen und Nullen beruhen, ist ihre Fähigkeit, mehrere Berechnungen gleichzeitig durchzuführen. Dieser Vorteil zeigt sich in einer neuen Quantenvorhersage-Engine, die 2019 entwickelt wurde. Durch die Simulation einer Reihe zusammenhängender Ereignisse konnten die Forscher hinter der Engine 16 mögliche Zukünfte in ein einzelnes Photon in ihrer Engine codieren. Das ist Multitasking!
Lesen Sie mehr über die 16 möglichen Futures.
