Pavel Cejnar. mff.cuni.cz. Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta University Karlovy v Praze

Transkript

1 Podivuhodná říše kvant Pavel Cejnar mff.cuni.cz Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta University Karlovy v Praze Hvězdárna a planetárium Brno,

2 Podivuhodná říše kvant Pavel Cejnar mff.cuni.cz Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta University Karlovy v Praze Hvězdárna a planetárium Brno,

3 Q-svět Nanofyzika Fyzika kondenzované fáze Atomová, molekulová fyzika Fyzika pevných látek Optika Kvantová mechanika Kvantová teorie pole Jaderná fyzika Částicová fyzika Astrofyzika Kosmologie Struny, sjednocení polí

4 Světlo = vlny i částice! 19. století vlnová teorie světla: světlo = vlny elmag. pole počátek 20. století návrat k částicové představě: světlo = fotony = kvanta elmag. pole Světlo má částicové i vlnové vlastnosti Max Planck ( ) Albert Einstein ( ) h = J s = 0.1 ev fs E p = = hc λ h λ

5 Elektrony = částice i vlny! Všechny částice mají zároveň i vlnové vlastnosti Důsledky: struktura a stabilita atomů, molekul, jader děje v nitru hvězd, na počátku vesmíru elektronika, supravodivost, lasery Ψ( x, t ) vlnové funkce kvantované energie Erwin Schrödinger ( )

6 Elektrony = částice i vlny! Všechny částice mají zároveň i vlnové vlastnosti Důsledky: struktura a stabilita atomů, molekul, jader děje v nitru hvězd, na počátku vesmíru elektronika, supravodivost, lasery

7 Elektrony = částice i vlny! Všechny částice mají zároveň i vlnové vlastnosti Důsledky: struktura a stabilita atomů, molekul, jader děje v nitru hvězd, na počátku vesmíru elektronika, supravodivost, lasery

8 Elektrony = částice i vlny! Všechny částice mají zároveň i vlnové vlastnosti Důsledky: struktura a stabilita atomů, molekul, jader děje v nitru hvězd, na počátku vesmíru elektronika, supravodivost, lasery Heisenbergova relace neurčitosti x p h 4π Velký význam v astrofyzice: ovlivňuje např. jadernou fúzi v nitru hvězd ( tunelový jev ) nebo dynamiku gravitačního kolapsu ( kvantový tlak )

9 Elektrony = částice i vlny! dvouštěrbinový experiment Ψ( x, t ) nebo??? Ψ = Ψ + Ψ 1 2 složení ( superpozice ) vln z obou štěrbin Erwin Schrödinger ( )

10 Elektrony = částice i vlny! elektronový mikroskop dvouštěrbinový experiment 10 elektrony 50 kev 100 dvouštěrbina d l 3000 obrazovka interferenční obrazec Elektron o kinetické energii 50 kev má vlnovou délku jen nm. Pro d~μm a l~m je vzdálenost maxim interferenčního obrazce řádu ~μm. A. Tonomura et al., Am. J. Phys. 57 (1989)

11 Elektrony = částice i vlny! dvouštěrbinový experiment Elektrony procházejí přístrojem jednotlivě Každý elektron interferuje sám se sebou!

12 Elektrony = částice i vlny! dvouštěrbinový experiment Elektrony procházejí přístrojem jednotlivě Každý elektron interferuje sám se sebou! Pokud sledujeme, kterou ze štěrbin jednotlivé elektrony prošly, obrazec zmizí Měření ovlivňuje vlnové/částicové chování! A stínítko B měřicí foton detektory 70000

13 Elektrony = částice i vlny! dvouštěrbinový experiment Elektrony procházejí přístrojem jednotlivě Každý elektron interferuje sám se sebou! Pokud sledujeme, kterou ze štěrbin jednotlivé elektrony prošly, obrazec zmizí Měření ovlivňuje vlnové/částicové chování! (i) Elektron prochází oběma štěrbinami zároveň superpozice Ψ = Ψ 1 Ψ 2 (ii) Měření lokalizuje elektron v jednom místě kolaps vlnové funkce Ψ = Ψ Ψ2 Ψ1 nebo Ψ

14 Kvantově provázané částice Dvojice kvantových částic se spiny popsanými vlnovou funkcí Ψ = Ψ( ) + Ψ( ) tj. buď [ ], nebo [ ] Spin vlastní točivost částice. Např. pro elektron může vzhledem k dané ose mít jen dvě orientace: nahoru nebo dolů. Ψ nepopisuje jednoznačně vlastnosti každé z obou částic. Teprve měření na jedné částici určí vlastnosti druhé částice. Strašidelné působení na dálku! (nelokalita) Niels Bohr & Albert Einstein

15 Kvantově provázané částice John Bell ( ) Dvojice kvantových částic se spiny popsanými vlnovou funkcí Ψ = Ψ( ) + Ψ( ) Pokud jsou měření prováděna ve stejné souřadné soustavě, je pozorována úplná (anti)korelace orientace spinů obou částic. Ale i pokud jsou soustavy měření obou spinů různé, měřená korelace zůstává vyšší, než by připouštěla libovolná teorie klasického typu. Můj generátor náhodných čísel vytvořil sekvenci To je úžasné, můj generátor napsal opačnou řadu

16 Kvantově provázané částice John Bell ( ) Dvojice kvantových částic se spiny popsanými vlnovou funkcí Ψ = Ψ( ) + Ψ( ) Kvantová nelokalita je skutečná! Ale nedá se využít Pokud jsou měření prováděna ve stejné souřadné soustavě, je pozorována úplná (anti)korelace orientace spinů obou částic. Ale i pokud jsou soustavy měření obou spinů různé, měřená korelace zůstává vyšší, než by připouštěla libovolná teorie klasického typu. Zvýšené korelace výsledků měření na provázaných kvantových částicích jsou ověřeny experimentálně! Můj generátor náhodných čísel vytvořil sekvenci To je úžasné, můj generátor napsal opačnou řadu

17 Kvantově provázané částice John Bell ( ) Dvojice kvantových částic se spiny popsanými vlnovou funkcí Ψ = Ψ( ) + Ψ( ) Kvantová nelokalita je skutečná! Ale nedá se využít Ledaže by Pokud je měření prováděno ve stejné souřadné soustavě, je pozorována úplná (anti)korelace orientace spinů obou částic. Ale i pokud jsou soustavy měření obou spinů různé, měřená korelace zůstává vyšší, než je možné v rámci libovolné teorie klasického typu. Zvýšené korelace výsledků měření na provázaných kvantových částicích je ověřeno experimentálně! Můj generátor náhodných čísel vytvořil sekvenci To je úžasné, můj generátor napsal opačnou řadu

18 Kvantové počítání Využití zákonů kvantové fyziky k urychlení výpočtů kvantové algoritmy (např. Shorův faktorizační algoritmus pro rozdělení velkých čísel na součiny prvočísel hrozba pro současné metody šifrování) Proč jsou kvantové algoritmy efektivní? 1) kvantový paralelismus vlnová funkce počítače může naráz obsahovat všechny možné vstupy 2) kvantová provázanost během výpočtu se neztrácí spojení vypočtených výstupů s odpovídajícími vstupy ?

19 Co na to Dilbert? Podle Everettovy mnohosvětové interpretace kvantové mechaniky jsou jednotlivé členy kvantové superpozice uskutečněny v různých paralelních světech vesmírech. Tyto vesmíry jsou ve vzájemném kontaktu po dobu udržení kvantové superpozice (její koherence). Vyšší efektivita kvantového počítání je důsledkem paralelismu výpočtů v různých vesmírech

20 To, co nazýváme realita se skládá z propracované papírové konstrukce představ a teorií upevněné mezi několika železnými pilíři pozorování. John Archibald Wheeler ( ) Hra dvaceti otázek: Jeden účastník hry je poslán ven z místnosti, ostatní se domluví na nějakém slově, dotyčný se vrátí a začne se ptát: Je to živé? Ne. Je to na Zemi? Ano. Otázky jdou od jednoho k druhému, dokud slovo není uhodnuto. Nakonec se zeptáte, jestli to slovo je mrak. Ano, zní odpověď a všichni se smějí. Vysvětlují, že se dohodli nedomlouvat dopředu žádné slovo. Každý mohl na jakoukoliv vaši otázku odpovědět ano i ne, jak se mu chtělo. Nicméně když odpověděl, musel mít na mysli nějaké konkrétní slovo slučitelné s odpověďmi na všechny předchozí otázky.. Cestovatel a automobil: Setkat se s kvantovým světem je cítit se jako cestovatel z daleké země, který poprvé v životě vidí automobil. Ta věc má zjevně dávat nějaký užitek, a to podstatný, jenže jaký? Člověk může otevřít dveře, stáhnout a vytáhnout okénko, zapnout a vypnout světla a snad i protočit startér, to všechno bez znalosti hlavního smyslu. Svět kvant je ten automobil. Používáme ho v tranzistoru k řízení strojů, v molekule k přípravě anestetika, v supravodiči k vytvoření magnetu. Je možné, že celou dobu postrádáme to hlavní, totiž roli kvantových principů v konstrukci vesmíru?