Kvantno vezane čestice, mikro talasima umesto laserima

Neke teme vrlo brzo dobijaju na zamahu. Jedna od njih spada u domen fizike, tačnije, kvantne fizike i već duže vreme naučna i šira javnost dobija nove podatke o povezivanju elementarnih čestica.

Na engleskom se ta pojava zove entanglement, i prevesti je direktno sa rečima smetnja, mreža i tome slično, bilo bi pogrešno. Ovo ističem, jer, čak ,ni moj prevod, od malo pre, nije najsrećnije rešenje, ali ja najbolje za koje znam.

Na našem sajtu već postoji tekst koji pominje povezivanje fotona (photon entanglement),  a ovom prilikom sledi novina, koja uvodi pojam povezivanja jona. Joni su slobodni atomi nekog elementa koji u svom elektronskom omotaču imaju manjak ili višak elektrona (najčešće jedan do tri elektrona), i iz električno neutralnog stanja prelaze u pozitivno ili negativno. Sem toga, treba istaći da su joni znatno veći od fotona i imaju značajnu masu – za razliku od fotona, za koje se kaže da nemaju masu. Barem ne uvek…

I dalje velika apratura, ali manja nego pre...

Tvrdi se da smo još mnogo vremena udaljeni od trenutka kada ćemo imati funkcionalne kvantne kompjutere veličine zgrade, a kamoli veličine sadašnjih kompjutera. To implicira da smo i dalje u procesu „minjaturizacije“, a deo tog se dešava unutar NIST instituta (National Institute of Standards and Technology).

Po prvi put, fizičari su povezali dva jona koristeći mikrotalase. Ovo je značajno, jer su se, do sada, u procesima povezivanja koristili laseri, koji krče put ka lakim i malim tehnološkim rešenjima, zbog svoje velike preciznosti.

Kvantni kompjuteri bi se služili posebnim osobinama kvantnog sveta da reše velike računske probleme – one, sa kojima današnji super kompjuteri ne mogu da izađu na kraj. Prvi korak u tome je da, prvo, ovladamo kvantnim česticama, pretvarajući ih u kvantne analogije klasičnih kompjuterskih bitova.

Ti osnovni blokovi memorije kvantnih kompjutera bi bili „qubits“. Mogućnost manipulacije jonima koristeći mikro talase i kvantno povezivanje, predstavlja veliku stvar.

Mikro talasi već pokazuju svoju korisnost omogućavajući bežičnu komunikaciju. Tehnologija koja omogućava njihovo generisanje i kontrolu je podrobno proučena, sveprisutna i, stoga, relativno jeftina. Doduše, i dalje je potreban ultra ljubičasti laser koji hladi i meri jone unutar procesa povezivanja mikro talasima. To je i dalje nisko energetski laser koji bi mogao lako da se svede na nivo onih lasera koji se nalaze u prenosivim muzičkim uređajima, kao što su CD u DVD čitač.

Ostatak neophodne tehnologije je, takođe malog gabarita. Cela „mašinerija“ je opisana u žurnalu Nature i tvrdi se da je velika oko 1/10 klasičnog „laserskog parka“ koje je neophodan da se stvori kontrolisano povezivanje čestica koristeći svetlost. Kako se razvoj na tehnologiji i dalje nastavlja, tim istraživača smatra da bi bili u stanju da postojeći mikro talasni uređaj svedu na veličinu današnjeg kompjutera, a možda jednog dana i na veličinu tableta. Mikro talasi, takođe, pokazuju još neke prednosti kvantnog pristupa kompjuterizaciji. Nestabilnost laserskog snopa generiše određene greške u procesu povezivanja čestica, a takvog problema nema sa mikro talasima.

Uvek postoji neko ali…

Na žalost, ovo ne znači da su laseri izgubili svoje mesto u budućoj tehnologiji koja će pokretati kvantne kompjutere. Tim iz instituta NIST je uspeo da sprovede povezivanje sa mikro talasima u „samo“ 76% pokušaja. Najbolje nameštene laserske aparature omaše u istom zadatku samo u 1% slučajeva.

Koncept povezivanja je relativno nezgodan da se razume, i ako ga je relativno lako objasniti. Umesto da se ja ponavljam, ostavljam vas u sposobnim rukama fizičarskog super deke, da vam objasni o česmu se tačno radi. Video je kratak, a dedica bi mogao da deluje malo manje jezivo… ali šta je – tu je. 🙂

Kvantno znanje hladi kompjutere: novi način razumevanja entropije

Kompjuteri prilikom rada, stvaraju toplotu, i to je svima poznato. Ta činjenica se nije promenila od pojave prvog personalnog računara, ali ima nagoveštaja da se i to može promeniti. Članak bi lako mogao proći kao inženjerska priča da nije teorijskih fizičara. Oni su ti koji tvrde da se efekat zagrevanja prilikom rada kompjutera može pretvoriti u suprotni fenomen – u proces hlađenja. Iza ovakve tvrdnje stoji fundamentalno razmatranje koje se bavi stanjima posedovanja znanja i ne posedovanja znanja. Da ne bismo došli u situaciju da radimo na brzinu, objasnimo sve od samog početka…

Zasmislite da vam ne treba ni komad rashaldnog uređaja dok rade...

Prilikom rada kompjutera, energija koju oni koriste, pre ili kasnije, završi u obliku toplote. Fizičari kažu da to nije sve, kada je ovaj proces u pitanju, i imaju svoj komentar o osnovama potrošnje energije prilikom obrade informacija, podataka.

Skorašnje istraživanje, koje je sproveo tim fizičara, je dalo iznenađujući rezultat na, tom, osnovnom nivou. Profesor Renato Rener (Renato Renner) i Vlatko Vedral (Vlatko Vedral) iz centra za kvantnu tehnologiju pri Nacionalnom univerzitetu u Singapuru i pri Oksfordskom univerzitetu iz Velike Britanije i njihove kolege, opisuju kako brisanje podataka, u određenim uslovima može stvoriti efekat hlađenja, umesto zagrevanja. Efekat je kvantne prirode i nazivaju ga efektom vezivanja (entanglement). Kao krajnji rezultat ovog efekta može biti da super kompjuteri budućnosti imaju koristi od ovog kvantnog efekta u obliku konstantnog hlađenja, i samim tim dizanja performansi. Treba imati na umu da bi današnji kompjuteri bili još efikasniji (brži) da ne moramo da brinemo o njihovom zagrevanju. Ako ono pređe određene granice, kompjuter se jednostavno pregreva i u krajnjem ishodu, pregori.

„Postići kontrolu procesa hlađenja/zagrevanja na kvantnom nivou bi tražilo da se napravi veliki tehnološki skok, ali nije i nemoguće. Svedoci smo velikog napretka u polju kvantne tehnologije u poslednjih 20 godina.“ Kaže Vedral. Sa današnjim mogućnostima koje nudi savremena kvantna laboratorija, trebalo bi da je izvodljivo sprovesti bazični eksperiment, nad nekoliko bitova podataka.

Landauer-ov princip sa kvantnom začkoljicom

Fizičar Rolf Landauer (Rolf William Landauer) je izračunao još 1961. godine, da je tokom brisanja podataka oslobađanje toplote neizbežno. Po Landauer-ovom principu kada kompjuter, tokom rada, premaši neki broj operacija i jedinici vremena, stvorena toplota je tolika da se više ne može „izgubiti“. To, tačnije, znači da se brže generiše dodatna toplotna energija, nego što je sistem preda okolini. Kod današnjih super kompjutera, postoje i drugi izvori zagrevanja koji su značajni, ali Renner misli da će pomenuti efekat biti važan činilac za 10 ili 20 godina. Brojke kažu sledeće: Emisija toplote prilikom brisanja 10 terabajta (terabyte) je oko 1 milionitog dela 1 džula (joule). Međutim ako se ovakav proces brisanja ponovo veliki broj puta tokom jedne sekunde, onda zbirna toplota postaje značajna.

Novo istraživanje Launderovog principa se bavi slučajevima kada su vrednosti bitova koji se brišu poznate. Ako je memorijski sadržaj poznat, moguće ga je obrisati na takav način da ga je posle moguće stvoriti. Već je pokazano da ovo „povratno“ brisanje ne proizvodi toplotu. Sa novom studijom, istraživači idu korak dalje. Oni pokazuju sledeće: prilikom brisanja bitova informacija koje su vezane kvantno-mehanički sa posmatračem, sam posmatrač bi mogao da izvuče postojeću toplotu iz sistema. Kvantno vezivanje povezuje stanje posmatrača sa stanjem kompjutera na način koji ima omogućava da znaju više o memoriji nego da koriste pristup klasične fizike.

Slične formule – dve discipline

Da bi stigli do željenog rezultata (hlađenje tokom brisanja), naučnici kombinuju ideje iz informatičke teorije i koncept iz termodinamike poznat kao entropija. Ovaj pojam se pojavljuje u obe naučne discipline. Kod informatičke teorije entropija predstavlja meru gustine informacija. Takva, opisuje, na primer, koliko memorijskog kapaciteta bi zauzeo neki set podataka kao bi se optimalno kompresovao. U termodinamici, entropija je vezana za ne uređenost sistema. Ona definiše organizovanost molekula u gasu. Po termodinamici, dodavanje entropije sistemu znači dodavanje energije u obliku toplote.

Rener tvrdi: „Pokazalo se, o oba slučaja, da pojam entropije, u stvari, opisuje istu stvar, čak i u kvantno mehaničkom režimu.“  Kako formule za obe entropije imaju isti oblik, već se pretpostavljalo da postoji neka veza između njih. „Naša studija pokazuje, u oba slučaja, da se entropija može sagledati kao manjak znanja.“, ističe Rener.

Treba imati na umu, da prilikom merenja entropije nekog objekta, sam objekat nema entropiju kao takav. Umesto toga, entropija tog objekta je uvek zavisna od posmatrača. Ovo primenjeno na primer sa brisanjem podataka bi mogao dati sledeće. Ako dva nezavisna posmatrača (osobe) brišu podatak iz memorije i jedan od njih ima veću spoznaju o podatku od drugog posmatrača, tada, po njemu, podatak ima manju entropiju i on može obrisati podatke ulažući manju količinu energije. Sem toga, entropija ima neobičnu osobinu da može imati negativnu vrednost kada se posmatra iz ugla informatičke teorije. Potpuna, klasična spoznaja o sistemu znači da posmatrač vidi sistem sa entropijom čija je vrednost nula. Međutim, kvantno vezivanje, daje posmatraču „više nego kompletno znanje“, jer su kvantne korelacije jače od klasičnih. To nas, na posletku, vodi ka entropiji koja je manja od nule. Sve do sada, teoretski fizičari su koristili negativnu entropiju u svojim proračunima, bez dubljeg razumevanja šta bi ona mogla da znači u termodinamici ili u eksperimentu.

Nema zagrevanja, čak i hladi

Da sumiramo, malo.

U slučaju klasičnog, potpunog poznavanja kompjuterske memorije (entropija je nula vrednost), brisanje podatka, u teoriji ne zahteva bilo kakvo ulaganje energije.

U slučaju kvantnog vezivanja „više nego kompletno saznanje“ o memoriji (negativna entropija) vodi ka ta tome, da brisanje podataka dovodi ka izvlačenju topote iz sistema u obliku upotrebljive energije. Ovo bi bio fizički smisao negativne entropije.

Međutim,  Rener ističe: „Ovo ne znači da možemo da razvijemo perpetual mobile mašinu.“ To bi bila mašina iz snova koja bi proizvodila više energije nego što potroši, ili bi proizvodila koristan rad u beskonačnost, kada se jednom pokrene. U primeru sa brisanjem, podaci bi bili obrisani samo jednom, tako da nema mogućnosti da se dalje proizvodi energija. Sam proces, takođe, uništava kvantno vezivanje, i potreban je unos energije da bi se stanje sistema vratilo na početno. Jednačine koje opisuju ovaj proces su u saglasnosti sa drugim zakonom termodinamike: idja o tome da entropija univerzuma se ne može smanjivati, nikada. Vedral ističe: „U našoj studiji, operišemo na samoj granici drugog zakona. Ako krenemo dalje, prekršićemo ga.“

Osnovne pronalaska

Ova nova naučna istraživanja o entropiji mogu imati primene i van proračuna toplote koju kompjuteri proizvedu. Na primer, metode razvijene unutar informatičke teorije (one koje se tiču entropije) mogu dovesti do inovacija u termodinamici. Ovo bi predstavljalo svojevrsnu sinergiju između dve naučne discipline, koje na prvi pogled nemaju puno zajedničkog. Veza između dva koncepta je osnovna, fundamentalna.

Vreme će pokazati da li je ovaj put razmatranje entropije svojevrsni naučni pomak ili samo još jedna od naučnih stramputica. Jedno je sigurno: konačni rezultat ovakvog istraživanja možemo očekivati za vreme jednog životnoga doba. To je, i dalje, dovoljno vremena da se neko seti još boljeg načina da se kompjuteri hlade tokom njihovog rada, pa će ova kvantno mehanička varijanta postati – nepotrebna.

Kvantni efekt vidljiv golim okom

Na prvi pogled zvuči vrlo zanimljivo i novo: prilikom eksperimenta, ispitivanja kvantnih efekata, umesto mehaničkih ili bilo kojih drugih detektora, korišćeno je ljudsko oko! Kvatni efekti se dešavaju na nivou atoma i na nivou sitnijih pod česetica, stoga… Kako su išta mogli da vide?

Nicolas Gisin, fizičar sa univerziteta u Ženevi, Švajcarska, smislio je novi test koji bi omogućio ljudkom oku da detektuje, primeti znake vezanih fotona (photon entanglment).

Zarad jasnosti, objasnimo šta to tačno znači. Fotoni, kao čestice (pridaje im se čestično-talsna priroda, ali mi ih ovde tretiramo kao da su čestice) mogu imati nekoliko osobina, ali najvažnije među njima su spin i polarizacija. Barem, za opis ovog efekta. Dva fotona koji imaju iste osobine (isti spin i polarizaciju) pokazuju zanimljivo ponšanje bez obzira na distancu koja ih deli. Kada izvršite merenje nad jednim fotonom, tada se momentalno dešava promena parametara, osobina drugog fotona koji je uparen sa prvim. Da bi ovo imalo smisla treba napomenuti da: merenje kvantnih efekata podrazumeva promenu osobina merenog subjekta. Da, iskustva iz makro sveta ne važe u mikro svetu. Znači, ova miskorskopska pojva je postala vidljiva i za ljudsko oko. Zvuči vrlo neverovatno…

Gisin i njegove kolege su, ustvari, bile inspirisane jednim starijim eksperimentom koji je obavio Fabio Šiarino (Fabio Sciarrino) i njegov tim na rimskom univerzitetu La Sapienza (Saznanje) u Italiji, još 2008. godine. Uglavnom, kada se fizičari bave vezanim fotonima, oni se bave manjim brojem njih u isto vreme. Rimski eksperiment je posmatrao dva vezana fotona i jedan od njih je “pojačan”, tako što je iskorišćen da se napravi cela lavina fotona (na stotine hiljada) koji imaju njegovo originalno stanje. Naizgled, ova kaskada fotona predstavljaju dovoljno jasnu vizuelizaciju kvantnog efekta vezanih fotona.

Do toga zaključka je Gisin odmah došao i pokušao je da to i pokaže, sprovede kroz svoju adaptaciju eksperimenta. Dok je italijanski ogled koristio uređaje za detekciju, dotle je švajcarski koristio same eksperimentatore, tačnije njihove oči.

Rezultat – naučnici sede u mraku svoje laboratorije, iščekujući svetlosnu potvrdu eksprimenta kome su dali da se stalno ponavlja. I da.. bi svetlost. Na taj našin kvantni efekat je postao vidljiv za ljudsko oko, prvi put u istoriji.

Naravno, ovo nije samo sedenje i piljenje u mrak. Korišćen je Bell test da bi se pokazala identičnost u polarizaciji i spinu, tačnije da su fotoni vezani. Dobijen je pozitivan rezultat, da su foton 1 i lavina fotona od fotona 2 u vezanom paru, svi sa istim osobinama (spin i polarizacija).

Gisin je imao, samo, zamerku da “su standardni detektori, ipak, brži i pouzdaniji i nisu se žalili na zamor.” Kada je neko nezadovoljan, onda je nezadovoljan…

Znači, to je bilo neko svojevrsno mikro-makro vezivanje fotona. Međutim, Gisin je sumnjao u verodostojnost Bellovog testa za makroskopske objekte. Pre nego što je ponovio eksperimet on je odlučio da tesira foton 2 sa Bellovim testom pre nego što napravi lavinu od njega. Prema već pomenutom principu merenja u kvantnoj mehanici, ovo merenje bi poremetilo spin i polaritet fotona 2 i lavina nastala od njega ne bi imala iste parametre kao foton 1. Potonji test nastale lavine ne bi dao poklapanje sa spinom i polarizaciojm fotona 1. Naravno, test je opet bio pozitivan, foton 1 i lavina su delili iste osobine.

Za “pozitivno” pogrešan rezultat nije razlog u prirodi detektora nego u urođenoj nesavršenosti bilo kog detektora, tačnije nivou osteljivosti koji predstavlja svojversnu “rupu”, kroz koju prođu određeni fotoni, a da ne budu detektovani. Kada se bavite malim brojem čestica, fotona, to ne dolazi toliko do izražaja, ali što je veči broj u uzorku, to je uticaj ovog nedostatka veći, do nivoa, da se konačni rezultat merenja znatno menja.

Cela ova kvantna priča još jednom potvrđuje pradavni problem kod izovđenja eksperimenata. Ne poznavanje svih uslova pod kojima se izvodi ogled, može dovesti do pogrešnih zakljuačka. Pogrešno može dovesti do zabluda, a zabulde do novih problema. U ovom slučaju, još jednom je potvrđeno vezivanje fotona na mikro nivou, ali to isto vezivanje na relaciji mikro-makro nivou nije potvrđeno, jer će Bell test uvek davati potvrdni rezultat.

Sciarrino i njegov tim su već neko vreme svesni da je njihov eksperiment mogao imati neki nedostatak u samoj postavci. Zbog toga, već neko vreme rade na preradi svog osnovnog eksperimenta, gde neće biti korišćeno ljudsko oko kao dektor – laser za amplifikaciju signala bi mogao da ga sprži.

Primene kvantnog ekfekta vezivanja fotona postoje, i najupečatljivija od njih je kod kompjuterskih mikro čipova. Bez dubljeg ulaženja u konkretnu primenu, ovaj eferkat omogućava da čipovi budu upola manji od onoga što se nekada smatralo fizičkim ograničenjem. Procenjuje se da to nije kraj mogućnosti i da čipovi mogu biti još više minjaturizovani zbog ovog efekta. Teoretski, naravno…

Do nedavno se smatralo da je, zahvaljujući ovom efektu, možda, moguća trenutna komunikacija, jer sama pojava ne trpi bilo kakvo kašnjenje u prenosu, bez obzira na rastojanje. Na žalost, trenutna komunikacija i dalje nije moguća, ali prakatični aspekti vezanosti fotona se i dalje ispituju, i mahom se mogu primeniti u razvoju kompjutera.

Crnih rupa nema, pa nema…

Ovo je vest još od prošle godine, ali treba je pomenuti.

1. Na planeti Zemlji nisu nađene male crne rupe!!! Jupi!!!

2. Na planeti Zemlji nisu nađene male crne rupe!!! …ali naći ćemo ih već, samo nam dajte malo vremena!!!

Ako vam se sviđa odgovor pod 1, onda ste zagovornik teorije katastrofe (teorija zavere na steroidima). Za slučaj da ste reagovali kao pod 2, možda ćete biti malo razočarani, kao pobornik teorije struna.

Compact Muon Solenoid (CMS) – ili kompaktni muonski solenoind je jedan od dva glavna uređaja, koji unutar sistema velikog akclelratora služi za detekciju elementarnih čestica. Ovde pričamo o tzv. “sudaraču” (Large Hadron Colider [LHC]– Veliki Hadron Sudarač), koji ustvari omogućava istraživačima, da posmatraju i detektuju, sudare čestice raznih profila. Jedna od ideja teorije struna jeste da je moguće stvoriti, u tim sudarima, male crne rupe, koje će se po stvaranju, odmah, anihilirati. Brojevi i rezultati dobijeni iz CMS-a ukazuju da do stvaranja mini crnih rupa nije došlo.

Teorija struna je, trenutno, najšire prihvaćena teorija koja objedinjuje dve, za sada odvojene oblasti fizike: kvantna mehanika i relativistika. Po toj teoriji, elektroni i kvarkovi nisu objekti, već jednodimenzionalne strune, koje svojim oscilovanjem kreiranju sopstvene obzervalne osobine. Drugačije rečeno, elektroni i kvarkovi su strune koje mi ne vidimo kao takve, nego kao drugačije objekte, zbog njihovog ponašanja (oscilovanja). Ideja nije nova i počiva na tome da kod posrednog detektovanja stvari i fenomena kod nas uvek ima neka “greška” u prevodu, detekciji. Pošto smo prinuđeni da zaključujemo iz rezultata, a ne da dikrektno posmatramo željeni objekat, često naše pretpostavke imaju veze sa našim iskustvom. Ako mali Perica jednom dokaže da posotji čestica sa određenim osobinama i da je to jedinstvena čestica, onda će se ta čestica zvati, peroid, ali dalje ni Perica ni iko drugi nije siguran kako taj peroid izgleda. Zbog toga teorija struna može da prođe kao ideja ili manifestacija, ali ono što je važnije, strune svojim konceptom objedinjuje fiziku. Istorija fizike je uglavnom sadržana iz pokušaja da se ceo svet oko nas na neki način stavi u jedan veliki kontekst, zakonitost i da time bude pokriven svaki mogući događaj ili pojava. Svet bez izuzetaka…

Sem toga, postojanje struna implicira da postoje, ne samo 4 dimenzije (dužina, širina, visina, vreme), nego se taj broj vrti oko 11 ili 12 dimenzija. Prema jednoj od verzija teorija struna (imaju više verzija, za svaki slučaj), ako te dimezije postoje, onda u jednu od njih odlaze gravitoni (hipotetičke čestice koje su odgovrne za prenos sile gravitacije).  Zbog tog “oticanja” gravitona, nam se čini da je gravitaciona sila slaba, ali ustvari nije. Srećom, za testiranje takve teorije LHC ima mogućnosti (energetski prohtevi eksperimenta), i možda ćemo uskro sazanti da li zaista postoji to curenje i samim tim i te dimenzije.

Sudari koji bi se desili untar LHC-a, pri energijama koje su veće nego kod ovog fenomena curenja garvitona, bi omogućili česticama da se približe jedna drugoj toliko (zbog gravitacije koje bi preuzela ulogu glavne sile) da bi svojim spajanjem stvorile mini crnu rupu. Crna rupa je, jednsotavno rečeno, velika (beskonačna) koncentracija materije na malom prostoru. Teorija, dalje, veli da bi se te crne rupe odmah raspale, što ne bi predstavljalo rizik za planetu Zemlju (u teoriji). Sam raspad crnih rupa bi bio detektovan produktima raspada, tačnije detekcijom mlazeva određenih čestica. E, baš, ti mlazevi fale, stoga, eksperiment nije potvrdio teoriju o mogućnosti stvaranja malih crnih rupa.

To je, još uvek, dokaz da enrgije koje se koriste tokom sudara i eksperimenata nisu dovoljne da se stvore crne rupe. Po planu, LHC će 2013. godine iskoristiti svoj puni kapacitet, tačnije, sprovodiće se sudari pri maksimalnim energijama koje ovaj akcelerator (sudarač) može da pruži. To će biti trenutak istine za teoriju struna.

Kako se ceo uređaj pokazao vrlo dobro kroz dosadašnji rad, naučnici će ga koristiti i kroz celu 2012 godinu, a neki očekuju da će to biti godina potvrde postojanja Higgsovog bozona (što ne znači da će se i desiti).

Maje (drevni narod sa podrčuja srednje Amerike) su prorekli smak sveta za godinu 2012. godinu, a ako se desi da neko malo ranije odradi konačni eksperiment sa crnim rupama, možda ti drevni proroci budu u pravu…

No, nije lepo da tako pričamo, crnih rupa nema, a kada će biti…  i da li će ih biti… ne zna se…