바이러스보다 큰 실리카 크리스탈 조각은 빛의 빔에 침입 한 단순한 물질입니다. 그러나 물리 법칙이 허용하는 것만 큼 움직이지 않습니다.
오스트리아와 스위스의 두 팀 팀은 독립적으로 100 ~ 140 나노 미터, 거의 전적으로 가장 낮은 에너지 양자 상태에 불과한 미미한 나노 입자를 동결시키는 데 독립적으로 성공했습니다.
이것을 단일 지점에서 단단히 고정시키는 것은 시작에 불과합니다. 목표는 이러한 물체를 소위 양자 중첩에 넣는 것입니다. 여기서는 측정하기 전에는 말하기가 불가능 해지는 곳이 어디에 있는지에 따라 말할 수 없습니다. 중첩의 입자는 둘 이상의 장소 중 하나에서 찾을 수 있으며, 당신은 당신이 볼 때까지 어떤 것인지 알지 못합니다. 양자 역학이 어떻게 분명한 속성과 위치를 가진 우리의 친숙한 물체의 세계가 그것을 보는 행위를 통해서만 이루어 지도록 주장하는 것처럼 보이는 가장 놀라운 예일 것입니다.
아 원자 입자, 원자 및 광자라고 불리는 빛의 질량이없는 "입자"의 중첩이 잘 확립되어 있습니다. 그러나 입자가 주변 환경과 상호 작용할 때 이러한 양자 효과가 매우 쉽게 방해되는 경향이 있기 때문에 물체가 점점 커지고 더 많은 상호 작용을 경험함에 따라 중첩을 설정하는 것은 빠르게 어려워집니다. 이러한 상호 작용은 거의 순간적으로 중첩을 파괴하고 독특하고 잘 정의 된 특성으로 물체를 남겨 두는 경향이 있습니다.
마찬가지로 연구자들은 입자에서 소분자, 더 큰 분자에 이르기까지 중첩 및 관련 양자 효과가 여전히 관찰 될 수있는 크기를 꾸준히 증가 시켰으며, 이제 나노 스케일 물질의 덩어리를 희망합니다. 원칙적 으로이 양자 확장이 얼마나 멀리 계속 될 수 있는지는 아무도 모른다. 양자 거동이 중력과 호환되지 않기 때문에 (원자와 분자에 무시할 수 있음), 아마도 일부 사람들이 생각하는대로 단순히 사라지는 크기 한계가 있습니까? 또는 큰 양자가 얼마나 큰 양자가 될 수 있는지에 대한 기본 제한이 없습니까?
이러한 질문은 양자 이론의 세기 동안 역사를 지니고있었습니다. 이제 처음으로, 연구자들은 그에 대한 대답을 할 수있는 과거에 있습니다. “저는 10 년 동안 거시적 중첩을 연구 해 왔습니다. 앞으로 몇 년 동안, 우리는 세상이 양자인지 여부를 발견 할 수 있습니다.
상식의 양자 입자는 일반적인 신념과는 반대로 실제로 한 번에 두 개 (또는 그 이상) 상태가 아닙니다. 오히려 중첩은 측정의 가능한 결과가 둘 이상임을 의미합니다. 클래식 물리학에 의해 묘사 된 일상적인 척도의 물체의 경우, 여기저기서 빨간색 또는 파란색입니다. 우리가 그것이 무엇인지 말할 수 없다면, 그것은 우리의 무지 때문입니다. 우리는 보지 않았습니다. 그러나 양자 중첩의 경우 단순히 명확한 대답이 없습니다.“위치”의 속성은 잘못 정의되어 있습니다.
그러나 우리가 볼 때 한 결과 나 다른 결과 만 볼 수 있다면, 우리가보기 전에 입자가 중첩에 있다는 것을 어떻게 알 수 있습니까? 대답은 우리가 그 결과가 무엇인지 알아 내려고하는 한, 그 속성을 측정하지 않는 한, 두 개의 파도와 마찬가지로 서로 든 두 가지 대안이 서로 방해 할 수 있다는 것입니다. 이 물결 동작은 파동 함수라고 불리는 수학적 실체로 구체화되며, 입자에 대해 우리가 말할 수있는 모든 것을 인코딩합니다.
양자 간섭은 입자가 화면에서 두 개의 좁은 간격 슬릿을 통과 할 때 가장 유명합니다. 입자가 어떤 슬릿을 통과하는지 보지 않으면 입자가 물파처럼 행동하고 파도 기능이 한 번에 두 슬릿을 통해 퍼져 간섭 패턴을 만듭니다.
.그러나 각 입자가 입자의 경로를 관찰하기 위해 각 입자가 통과했는지 여부를 알려주기 위해 측정 장치를 슬릿으로 배치하면 간섭 패턴이 사라집니다.
물체가 "물질 파도"를 방해하는 것으로 얼마나 큰 물체가 얻을 수 있습니까? 비엔나 대학교 (University of Vienna University)의 양자 물리학자인 안톤 제일 링거 (Anton Zeilinger)와 그의 동료들은 1999 년에 풀러렌 (c 60 라는 탄소 분자를 사용한 이중 슬릿 실험으로 그 질문을 연구했습니다. ), 축구 공의 가죽 패치와 같은 육각형 및 오각형 고리에 연결된 정확히 60 개의 탄소 원자로 만들어졌습니다. 그들은 C 60 와 같은 분자조차도 명확한 간섭 패턴을 발견했습니다. - 개별 원자보다 훨씬 더 크고 무거운 0.7 나노 미터에서 - 중첩에 넣을 수 있습니다.
아마도 중요하게도, 그들은 그 중첩이 어떻게 사라 졌는지 연구했습니다.
양자 입자와 가스 분자 또는 광자와 같은 이웃 입자 사이의 상호 작용은 두 물체를 일종의 관절 양자 상태로 얽습니다. 이런 식으로 원래 입자의 중첩이 환경으로 퍼집니다.
오히려 잉크 액적이 물 한 잔으로 확산되고 퍼지는 것처럼,이 퍼지는 중첩은 그 정보로부터 퍼져있는 모든 지점을보고 재구성하지 않는 한 원본을보기가 더 어려워집니다. 얽힘이 초기 중지 입자의 파동 함수를 주변 입자의 파동 함수와 혼합함에 따라, 파도는 일관성을 잃고 일관성이없는 작은 파도가되는 것으로 보인다. 이 과정은 디코 언어라고하며, 원래 대상에서 중첩을 감지 할 수 없게 만듭니다. 양자 특성은 사라지는 것처럼 보입니다.
양자 중첩의 디코 언은 입자와 환경과의 상호 작용을 최소화 할 수 없다면 매우 빠르게 발생합니다. 예를 들어, 열의 파괴 효과를 줄이고 물체를 진공 상태로 유지하여 분자 충돌을 제거함으로써 매우 낮은 온도로 냉각시키는 것입니다. 대상이 클수록 상호 작용이 많을 가능성이 높고 더 빠른 디코 언가 발생합니다. 공기 중에 부유 한 먼지 곡물의 경우, 곡물 자체와 거의 같은 폭으로 분리 된 공간의 두 위치의 중첩 상태는 약 10 초 안에 디코셔로 추정됩니다.
디코 언어는 관찰하기에 충분히 오래 지속되는 큰 물체의 양자 중첩을 만드는 데 주된 장애물 인 것 같습니다. Fullerenes와의 간섭 실험은 그 그림을 지원합니다. 비엔나 팀은 입자의 간섭이 배경 가스를 챔버로 옮길 때 점차 사라져야한다고 예측했다. 여기서 분자는 풀러렌과 충돌하여 양자 파의 일관성을 파괴 할 것이다. 그것이 바로 그들이 본 것입니다.
Zeilinger 팀원 중 하나는 Markus Arndt였습니다. 그는 지난 20 년 동안 양자 간섭을 확장하려는 노력을 계속했습니다. 2011 년에 그와 그의 팀은 각각 최대 430 개의 원자를 가진 탄소 기반 유기 분자 빔을 방해하여 최대 6 나노 미터를 측정했습니다. 2019 년에는 약 2,000 개의 원자 분자로이를 수행했습니다. 그리고 작년에, 그들은 생물학적 분자, 특히 Gramicidin A1이라는 천연 펩티드에서 간섭 패턴을 만들었습니다.
Arndt는 그의 목표는 입자의 질량을 매년 또는 2 배의 10 배 늘리는 것입니다. 그것은 곧 바이러스와 같은 생물학적 물체의 크기와 질량 범위로 잘게 될 것입니다. 한편, 2009 년 Romero-Isart, Garching의 Max Planck Optics Instit
왜 거기서 멈춰야합니까? 연구원들은 심지어 약 1 밀리미터 너비이며 며칠 동안 우주에 노출 된 것으로 밝혀진 Tardigrades라는 현저한 강력한 작은 동물과 같이 모호하지 않은 살아있는 유기체와 같은 일을하는 것에 대해 추측했습니다. 연구원들은이 계획이“원래의 슈뢰딩거의 고양이와 거의 같은 정신으로 양자 중첩 상태”를 만들 수 있다고 썼다.
Schrödinger의 부조리를 현실로 만들기위한 전망은 Q-Xtreme 프로젝트의 배후에있는 하나의 애니메이션 원칙, 비엔나 대학교의 Markus Aspelmeyer 그룹, Lukas Novotny 및 Romain Quidant의 Swiss Federal Institute of Technology Zurich, Romero-Isart의 공동 작업입니다.
2019 년에 두 개의 독립적 인 연구에서 3 개의 그룹은 약 1 억 ~ 150 나노 미터의 실리카 나노 입자를 냉각 할 수 있으며, 약 1 천만 개의 원자가 거의 가장 낮은 에너지 (지면) 상태에있는 동안 레이저 빔에 의해 생성 된 광학 트랩에 보관하면서 거의 가장 낮은 에너지 (접지) 상태에 있습니다.
.작년에 Aspelmeyer의 팀은 이러한 입자를지면 상태로 더욱 완전히 안내했다고보고했으며, 여기서 원자의 결정질 격자의 진동이 최소한으로 최소화된다고보고했습니다. 절대 0에서, 입자는 전적으로 접지 상태에있을 것이며, 남은 유일한 운동은 원자의 소위 제로 포인트 운동 일 것이다. Aspelmeyer의 실험에서 입자는 평균 70%의지면 상태에있었습니다.
이제 최신 실험에서 Aspelmeyer와 Novotny는 자유 입자의 양자 거동에 영향을 미치는 광학 트랩을 제거하여 포로가 아닌 "야생에서"입자를 관찰 할 수있었습니다. 연구원들은 레이저 조명을 사용하여 입자의 위치를 지속적으로 측정 한 다음 전기장을 바르고 입자를 깎아서 트래핑이 아니라 부드러운 동축으로 지정된 위치에 머무를 수 있습니다. 이 "활성 피드백"접근 방식은 입자의 열 흔들림을 억제하고이를 매우 저온으로 냉각시킵니다.
Aspelmeyer의 그룹은 입자 위치의 스프레드가 제로 포인트 모션의 1.3 배에 불과하며, 절대 제로 이상의 켈빈의 온도에 해당한다고 말합니다. Novotny와 동료들은 비슷한 설정으로 비슷한 냉각을 얻었습니다.
다음 단계는 중첩을 만드는 것입니다. 그렇게하려면 연구원들은 세 가지 주요 환경 영향을 통제해야합니다. 첫째, 그들은 활성 피드백 잠재력의 시끄러운 일을 제거해야합니다. 그런 다음 입자가 충돌 할 수있는 것은 거의 없도록 매우 높은 진공 (약 10 밀리 바의 압력)을 사용해야합니다. 마지막으로, 그들은 따뜻한 물체와 마찬가지로 입자가 광자를 방출하는 것을 막아야합니다. 입자는 매우 단단히 국한되어 있지만, 슈퍼 콜드 인 것처럼, uppons kel kelvin의 내부 온도에 윙윙 거리는 광자를 충분히 흡수하여 뜨거운 포커처럼 방출됩니다. Romero-Isart는 그 방사선에 의해 유발 된 해독을 억제하는 것이 힘들어 질 것이라고 말했다.
입자에서 방사선을 억제해야 할 필요성은 미묘하지만 중요한 문제를 말합니다. 양자 중첩은 환경의 교란이 들어오고 균형을 벗어나기 때문에 파괴되지 않습니다. 오히려, 물체의 위치에 대한 정보가 측정 할 수있는 환경으로 누출 될 때 파괴됩니다. Quantum Double-Slit 실험의 간섭이 입자 경로를 측정하여 파괴되는 것처럼.
.가스 분자가 튀어 나오면 원칙적으로 분자의 궤적을 보면 입자가 어디에 있는지 알아낼 수 있습니다. 또는 그것이 광자를 방출하는 경우, 현관의 빛에서 밤에 정문을 찾을 수있는 곳을 볼 수 있습니다. 그러나 정문의 경우, 빛은 그 위치 만 드러납니다. 양자 물체의 경우 방사 된 빛이 그것을 생성합니다.
환경과의 상호 작용에 대한 중첩의 민감도는 실험을 어렵게 만들지 만 유용 할 수도 있습니다. 예를 들어, 이와 같은 시스템은 양자 물체가 디코 언을 통해 양자를 잃고 한 곳에서 고전적으로 고정되는 방법을 연구하는 데 사용될 수 있습니다. Romero-Isart는“큰 중첩은 매우 깨지기 쉽고 디코 언에 민감합니다. 따라서 실험은 그것이 어떻게 일어나는지에 대한 이론을 테스트 할 수 있습니다.
연구원들은 특히 양자가 어떻게 고전적이되는지에 대한 한 가지 아이디어를 조사하고 싶어합니다. 이 스위치는 오랫동안“파동 함수의 붕괴”로 묘사되어 왔습니다. 예를 들어 두 가지 가능한 상태의 중첩은 측정 할 때 그중 하나로 붕괴됩니다. 이 붕괴는 1930 년대 헝가리 수학적 물리학 자 John Neumann이 처음으로 제안되었으며, 실제 측정에서 생성하는 확실한 값으로 파동 함수에서 인코딩 된 확률에서 얻는 광 임시 방법으로 제안되었습니다. 그것은 이론 자체로부터 실제 정당화가없는 손의 손이었다 :우리가 실제로 보는 것과 이론을 조정하는 수학적 편의.
.측정기구와의 디코 언도와 상호 작용에 대한 아이디어는 이제 Von Neumann의 갑작스러운 붕괴에 대한 신비한 개념을 대체했습니다. 그러나 일부 연구자들은 그럼에도 불구하고 붕괴는 양자 가능성으로부터 고전적인 결정을 생성하는 실제적이고 물리적 인 과정이라고 제안했다. Romero-Isart는“붕괴 모델은 큰 질량과 큰 중첩이있을 때 [표준] 양자 역학의 고장을 예측합니다. “그 공간에서 양자 역학이 테스트되지 않았습니다.”
그와 Q-Xtreme의 그의 동료들은 물리적 콜랩스 모델을 테스트하기를 희망하며, 이는 큰 중첩이 예상보다 짧을 것으로 예상합니다. 특히, 그들은 중력이 중요한 크기의 규모로 양자 역학에 어떤 일이 일어나는지 탐구하기를 희망합니다.
현재, 양자 역학은 현대 중력 이론, 즉 앨버트 아인슈타인의 일반적인 상대성과 양립 할 수없는 것 같습니다. 양자 세계는 개별적이고 세분화되는 반면, 상대성은 시공간을 매끄럽고 연속적인 것으로 묘사합니다. 양자 역학은 매우 작고 일반적인 상대성 이론은 크고 거대한 대상을 설명하기 때문에 일반적 으로이 불화를 무시할 수 있습니다.
그러나 영국의 수학 물리학 자 로저 펜로즈 (Roger Penrose)는 중간 규모에서 양자 이론이 일반 상대성과 충돌 할 때 후자는 양자 효과를 파괴 할 것이라고 제안했다. 일반 상대성에 따라 중력 장이 상당한 물체는 시공간을 왜곡합니다. 그러나 위치의 중첩에있는 물체는 두 가지 위의 공간 시간을 생성 할 것입니다. 일반 상대성은 허용하지 않는 상황입니다. 그래서 Penrose는 중력이 대안들 사이에서 선택을 강요 할 것이라고 믿습니다.
Aspelmeyer는 Q-Xtreme이 마침내 이와 같은 이론을 테스트 할 수 있어야한다고 생각합니다. "계획된 실험의 규모에 따라, 기존의 모든 붕괴 모델은 배제되거나 매개 변수 체제로 제한되어 무의미하게 만들어 줄 것"이라고 그는 말했다.
중력이 작용하기에 충분히 큰 질량의 중첩은 중력 자체의 양자 측면을 조사 할 수 있습니다. 그렇게하는 한 가지 아이디어는 중력 상호 작용을 사용하여 대중을 얽히는 것입니다. 2017 년, 런던 대학교 대학의 물리학 자 Sougato Bose와 Vlatko Vedral과 옥스포드 대학의 Chiara Marletto는 독립적으로 실험을 제안했습니다. Romero-Isart는 이러한 실험은“매우 흥미롭지 만 매우 힘들다”고 말했다. Vedral은 향후 10 년 동안 실현 가능할 수 있다고 생각하지만
.아무도 무엇을 기대 해야할지 모른다. 토론토 대학의 양자 물리학자인 Aephraim Steinberg는“양자 이론이 시공간 자체가 두 가지 측정 된 두 주를 중첩해야한다고 제안 할 수있는 상황을 연구 할 수있다. 우리가 새로운 것을 발견 할 가능성에 열린 마음을 유지하는 것이 합리적입니다.”
.Vedral은 우리는 중력 (적어도 매우 강하지 않을 때)을 다른 알려진 힘과 마찬가지로 표준 양자 필드 이론을 사용하여 실제로 설명 할 수 있다고 기대합니다. 그러나 그는 이론가로서 당신이 특별한 일이 일어나기를 원하기 때문에 비밀리에 나는 그것이 실패하기를 바라고 있다고 인정한다.
.Bose는 대규모 양자 중첩을 시도하는 것이 상생 상황이라고 말했다. 우리가 물리적 붕괴가 그들을 금지한다는 것을 알게되면, 그것은 양자 역학의 기본 특성에 대한 큰 발견 일 것입니다. 그러나 많은 용의자로서 물리적 붕괴가 발생하지 않고 양자 세계가 계속 커질 수 있다면, 디코 언론의 원천에 대한 극도의 민감성과 함께 큰 중첩은 매우 섬세한 센서 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, 캐나다의 물리학 자 Jess Riedel과 Itay Yavin은 중력 효과에 민감한 양자 시스템이 중력을 통해서만 일반적인 물질과 상호 작용하는 것처럼 보이는 암흑 물질 입자를 찾는 방법을 제공 할 수 있다고 제안했습니다. 한편, Bose는 중력파의 벤치 탑 탐지기와 같은 시스템을 사용하는 데 관심이 있으며, 지금까지 크기가 몇 킬로미터 인 엄청난 탐지기의 도움으로 만 나타났습니다.
.다시 말해서, 양자 규모를 중력 문제로 확장하여 중력 문제가 우리에게 양자 역학, 중력 및 우주의 숨겨진 측면에 대한 새로운 것을 가르쳐 줄 수 있습니다. 이 프로젝트는 기술 능력을 한도로 끌어 올릴 것이지만 보상은 엄청날 수 있습니다. Arndt는 대형 규모에서 중첩 및 얽힘과 같은 양자 현상을 생성하는 데 관심의 현재의 부활은 기회가 발생하지 않는다고 말했다. Arndt는 말했다. 왜냐하면 우리가 양자 컴퓨터를 확장하여 수천 개의 얽힌 양자 비트를 가지고 있으면 양자 컴퓨터를 확장하려는 경우 정확하게 필요한 것이기 때문이다. "Quantum Technologies는 향후 몇 년 동안 수십억 달러의 투자를받을 것입니다."라고 그는 말했습니다.“우리는 이러한 모든 기술적 희망의 기초가되는 이론의 기초를 더 잘 이해했습니다.”
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