Квантовый компьютер помог физикам подтвердить теорию относительности

© D-Wave Systems, Inc.
© D-Wave Systems, Inc.

Международный коллектив физиков с участием российских ученых нашел необычное применение для квантового компьютера — они использовали кубиты, квантовые ячейки памяти, для демонстрации того, что свет движется во всех направлениях с одинаковой скоростью, что в очередной раз доказало справедливость Специальной Теории Относительности (СТО) Эйнштейна, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature

Данный эксперимент является своеобразным аналогом знаменитых опытов Майкельсона и Морли, пытавшихся еще в 1887 году подтвердить существование так называемого «эфира» — особой светоносной формы материи, по которой должны были распространяться волны света. По представлениям физиков того времени, эфир должен был обладать крайне причудливыми свойствами, и скорость света в нем должна была быть не постоянной, а зависящей от направления движения луча.
Опыты Морли и Майкельсона, а также появившаяся позже СТО Эйнштейна, положили конец этим заблуждениям, и сегодня физики считают, что свет и все остальные виды электромагнитного излучения движутся по всем направлениям с одинаковой (инвариантной) скоростью. Аналогичным образом, все физические законы работают одинаковым образом во всех системах отсчета и вне зависимости от углов их поворота.

Этот постулат является краеугольным камнем всех современных теорий, в том числе и Стандартной Модели физики, без которого они просто не будут работать. Тем не менее, существует небольшая группа физиков-маргиналов, которые сомневаются в том, что подобные опыты проводятся правильно, и продолжают верить в существование «светоносного эфира».

Группа ученых из Института ядерной физики в Гатчине (Россия) и университета Калифорнии в Беркли (США) открыла необычный способ еще раз доказать постоянство скорости света и инвариантность пространства, экспериментируя с кубитами —— квантовыми обобщениями классических битов, применяемые в квантовых компьютерах. В отличие от классических битов, в кубитах переменная может принимать не только два значения 0 и 1, но и любое другое, определяемое суперпозицией базовых состояний (0 и 1).

Во время одного из экспериментов с квантовыми вычислениями исследователи заметили, что кубиты на базе электронов должны реагировать на малейшие изменения в структуре пространства, так как его неоднородность должна нарушать их работу в присутствии сильного магнитного поля. Это натолкнуло их на мысль, что подобные ячейки памяти можно использовать примерно так же, как Морли и Майкельсон использовали лучи света и зеркала для поисков светоносного эфира.

Изображение: Hartmut Haeffner
Изображение: Hartmut Haeffner

Руководствуясь этой идеей, физики в вакуумной камере перепутали пару кубитов на основе ионов кальция, а затем следили за тем, каким образом вращение Земли вокруг своей оси оказывает влияние на энергетические уровни электронов в ионах, находящихся в магнитном поле. Оказалось, как и ожидали ученые, никакого влияния на перепутанные кубиты вращение Земли не оказывает — им не удалось найти следов подобных нарушений.

Причем вероятность того, что результат эксперимента ошибочен, исчезающе мала — один на миллиард миллиардов (10 в 18 степени). Точность измерений ученых примерно в сто раз превысила предыдущие опыты с электронами и в пять раз — эксперименты типа Майкельсона-Морли, проводимые со светом.

«Впервые нам удалось использовать инструменты, используемые для передачи и обработки квантовой информации, для проверки фундаментальных видов симметрии. Иными словами, нам удалось создать квантовое состояние, которое в принципе не реагирует на фоновый шум и при этом остается чувствительным по отношению к нарушениям в структуре пространства. Нас сильно удивило то, что эксперимент сразу сработал, и теперь у нас есть фантастический метод для измерений самых малейших возмущений пространства», — приводятся в статье слова одного из авторов, Хармута Хэффнера (Harmut Haeffner) из университета Калифорнии в Беркли.

По словам Хэффнера, столь высокая планка — далеко не предел для кубитов. Точность таких измерений можно будет улучшить более чем в десять тысяч раз, если заменить «обычные» кубиты на базе кальция на более чувствительные ячейки памяти, построенные на основе иттербия, редкоземельного металла. Если ученым удастся реализовать эту идею, то физики могут задуматься об использовании такого инструмента для поиска частиц неуловимой темной материи, заключает исследователь.

Квантовая запутанность проявляется тогда, когда свойства объектов, первоначально связанных между собой, оказываются скоррелированными даже при их разнесении на расстояние между собой: изменение свойств одного объекта при отдалении от других из системы сказывается на свойствах остальных.

СТО, разработанная к 1905 году Альбертом Эйнштейном и Анри Пуанкаре, вводит независимость физических законов от выбора инерциальной (двигающейся с постоянной скоростью) системы отсчета и вводит предельную скорость распространения сигнала (скорость света). Математически законы СТО выражаются преобразованиями Лоренца, которые можно вывести из условия неизменности так называемого интервала в пространстве Минковского, связывающего пространственные и временные координаты частицы.

Опыты Майкельсона (или Майкельсона-Морли) позволяют подтвердить независимость скорости света от выбора системы отсчета. Классический опыт предполагает, что из-за движения платформы, на которой расположены источники света, фотоны могут достичь цели в разное время в зависимости от характера движения такой платформы. Эксперименты показали, что на движение света перемещения платформы (или вращение Земли) не оказывают никакого влияния.

По материалам: ria.rulenta.ru

Похожие статьи:

Оставить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *