Ontdekking van kwantumverstrengeling is een revolutionaire stap voorwaarts • Earth.com

Een team van onderzoekers van het Structured Light Laboratory in… Universiteit van de WitwatersrandZuid-Afrika heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van kwantumverstrengeling.

Onder leiding van professor Andrew Forbes, in samenwerking met de gerenommeerde snaarwetenschapper Robert de Mello Koch, die nu werkzaam is bij Huzhou Universiteit In China demonstreerde het team met succes een nieuwe manier om kwantumverstrengelde deeltjes te manipuleren zonder hun intrinsieke eigenschappen te veranderen.

Deze prestatie vertegenwoordigt een enorme stap in ons begrip en toepassing van kwantumverstrengeling.

Topologie in kwantumverstrengeling

“We hebben dit bereikt door twee identieke fotonen met elkaar te verstrengelen en ze een gemeenschappelijke golffunctie toe te kennen”, legt Pedro Ornelas, masterstudent en hoofdauteur van de studie uit. “Dit proces maakt hun collectieve structuur, of topologie, alleen duidelijk als ze als een geheel worden beschouwd. enkele entiteit.”

Dit experiment draait om het concept van kwantumverstrengeling, ook wel 'spookachtige actie op afstand' genoemd, waarbij deeltjes elkaars toestanden beïnvloeden, zelfs als ze over grote afstanden van elkaar gescheiden zijn.

Topologie speelt in deze context een cruciale rol. Het zorgt ervoor dat bepaalde eigenschappen behouden blijven, net zoals een koffiekopje en een donut topologisch gelijkwaardig zijn vanwege hun enkele, onveranderlijke gat.

“Onze verstrengelde fotonen lijken op elkaar”, legt professor Forbes uit. “Hun verstrengeling is flexibel, maar sommige eigenschappen blijven constant.”

De studie kijkt specifiek naar de Skyrmion-topologie, een concept dat in de jaren tachtig door Tony Skyrmion werd geïntroduceerd. In dit scenario verwijst topologie naar een algemene eigenschap die onveranderd blijft, zoals de textuur van een doek, ongeacht hoe deze wordt behandeld.

Toepassingen van kwantumverstrengeling

Skyrmionen, die aanvankelijk werden bestudeerd in magnetische materialen, vloeibare kristallen en hun optische tegenhangers, worden in de fysica van de gecondenseerde materie geprezen vanwege hun stabiliteit en potentieel in de technologie voor gegevensopslag.

“We streven ernaar soortgelijke transformatieve effecten te bereiken met onze kwantumverstrengelde skyrmionen”, voegt Forbes toe. In tegenstelling tot eerder onderzoek dat de locatie van Skyrmions tot één enkel punt beperkte, presenteert dit onderzoek een paradigmaverschuiving.

Zoals Ornelas zegt: “We begrijpen nu dat topologie, traditioneel gezien als lokaal, in feite niet-lokaal kan zijn, gedeeld tussen ruimtelijk gescheiden entiteiten.”

Dienovereenkomstig stelt het team voor om topologie te gebruiken als classificatiesysteem voor verstrengelde staten. Dr. Ishaq Naib, een medeonderzoeker, vergelijkt dit met een alfabet van verwarde toestanden.

‘Net zoals we velden en donuts onderscheiden op basis van hun gaten, kunnen onze kwantumskyrmionen worden geclassificeerd op basis van hun topologische kenmerken’, legt hij uit.

Kernideeën en toekomstig onderzoek

Deze ontdekking opent de deur naar nieuwe kwantumcommunicatieprotocollen, die topologie gebruiken als middel om kwantuminformatie te verwerken.

Dergelijke protocollen kunnen een revolutie teweegbrengen in de manier waarop informatie wordt gecodeerd en verzonden in kwantumsystemen, vooral in scenario's waarin traditionele versleutelingsmethoden falen vanwege minimale verstrengeling.

Het komt erop neer dat het belang van dit onderzoek ligt in de mogelijkheid om het in de praktijk toe te passen. Decennia lang is het in stand houden van onderling verbonden staten een grote uitdaging geweest.

De bevindingen van het team suggereren dat de topologie intact kan blijven, zelfs als de verstrengeling vervalt, wat een nieuw versleutelingsmechanisme voor kwantumsystemen oplevert.

Professor Forbes besluit met een toekomstgerichte verklaring: “We zijn nu klaar om nieuwe protocollen te definiëren en het brede landschap van niet-lokale kwantumtoestanden te verkennen, wat een revolutie zou kunnen betekenen in de manier waarop we kwantumcommunicatie en informatieverwerking benaderen.”

Meer over kwantumverstrengeling

Zoals hierboven besproken is kwantumverstrengeling een fascinerend en complex fenomeen in de wereld van de kwantumfysica.

Het is een fysisch proces waarbij paren of groepen deeltjes ruimtelijke nabijheid creëren, op elkaar inwerken of delen op een zodanige manier dat de kwantumtoestand van elk deeltje niet onafhankelijk van de toestand van de andere deeltjes kan worden beschreven, zelfs als de deeltjes gescheiden zijn door een grote afstand. .

Ontdekking en historische context

Kwantumverstrengeling werd voor het eerst getheoretiseerd in 1935 door Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen. Ze stelden de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)-paradox voor, waarmee de volledigheid van de kwantummechanica in twijfel werd getrokken.

Einstein noemde verstrengeling ‘spookachtige actie op afstand’, waarmee hij zijn ongemak uitdrukte over het idee dat deeltjes elkaar ogenblikkelijk over grote afstanden kunnen beïnvloeden.

Principes van kwantumverstrengeling

De kern van kwantumverstrengeling is het concept van superpositie. In de kwantummechanica bevinden deeltjes zoals elektronen en fotonen zich in een staat van superpositie, wat betekent dat ze zich tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bevinden.

Wanneer twee deeltjes verstrengeld zijn, zijn ze op zo'n manier met elkaar verbonden dat de toestand van de ene (of het nu spin, positie, momentum of polarisatie is) onmiddellijk verband houdt met de toestand van de andere, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn.

Kwantumverstrengeling in computers en communicatie

Kwantumverstrengeling daagt klassieke noties van natuurwetten uit. Het geeft aan dat informatie sneller kan worden verzonden dan de snelheid van het licht, wat in tegenspraak is met Einsteins relativiteitstheorie.

Dit betekent echter niet dat bruikbare informatie onmiddellijk wordt overgedragen, wat de causaliteit zou schenden; Het impliceert veeleer een diepgewortelde onderlinge verbondenheid op kwantumniveau.

Een van de meest opwindende toepassingen van kwantumverstrengeling ligt op het gebied van kwantumcomputing. Kwantumcomputers gebruiken verstrengelde toestanden om complexe berekeningen uit te voeren met snelheden die niet kunnen worden bereikt door klassieke computers.

Bij kwantumcommunicatie is verstrengeling de sleutel tot de ontwikkeling van zeer veilige communicatiesystemen, zoals kwantumcryptografie en kwantumsleuteldistributie, die theoretisch immuun zijn voor hacking.

Empirische validatie en huidig ​​onderzoek

Sinds het theoretische begin ervan is kwantumverstrengeling verschillende keren experimenteel bewezen, wat de vreemde en contra-intuïtieve aard ervan onderstreept.

De bekendste zijn de Bell-testexperimenten, die belangrijk bewijs leverden tegen lokale theorieën over verborgen variabelen en ten gunste van de kwantummechanica.

Kortom, kwantumverstrengeling, de hoeksteen van de kwantummechanica, blijft een onderwerp van intensief onderzoek en debat. De raadselachtige aard ervan daagt ons begrip van de fysieke wereld uit en opent de weg voor potentieel revolutionaire technologische ontwikkelingen.

Naarmate het onderzoek vordert, kunnen we meer praktische toepassingen voor dit vreemde fenomeen vinden, waardoor meer geheimen van het kwantumuniversum worden ontsluierd.

Het volledige onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur fotonica.

—–

Vind je het leuk wat ik lees? Abonneer u op onze nieuwsbrief en ontvang boeiende artikelen, exclusieve inhoud en de laatste updates.

Bezoek ons ​​op EarthSnap, een gratis app aangeboden door Eric Ralls en Earth.com.

—–