วันนี้ (14 เมษายน) นับวันควอนตัมโลกของปี 2568 การเฉลิมฉลองระหว่างประเทศที่จัดขึ้นเพื่อส่งเสริมความเข้าใจสาธารณะเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ควอนตัม
วันที่ 4/14 ถูกเลือกเนื่องจาก 4.14 แสดงถึงตัวเลขสามหลักแรกค่าคงที่ของพลังค์(4.135667696 x 10-15โวลต์อิเล็กตรอนต่อเฮิร์ตซ์ปัดเป็น 4.14 x 10-15) - ตัวเลขสำคัญในฟิสิกส์ควอนตัม
เป็นสาขาของวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาลเช่นอะตอมอิเล็กตรอน(อนุภาคแสง) และอนุภาค subatomic อื่น ๆ เช่นควาร์ก
ในโลกประจำวันในระดับที่เราสามารถเห็นได้สิ่งต่าง ๆ มักจะปฏิบัติตามกฎของฟิสิกส์คลาสสิก อย่างไรก็ตามเมื่อคุณซูมเข้าสู่อนุภาคที่เล็กที่สุดฟิสิกส์คลาสสิกก็หยุดทำงานค่อนข้างดีและกฎของเข้ามาเล่น
แนวคิดหลักบางประการของฟิสิกส์ควอนตัมคืออนุภาคเช่นอิเล็กตรอนสามารถทำตัวเป็นคลื่นและในทางกลับกัน (รู้จักกันในชื่อ- สองอนุภาคสามารถเชื่อมโยงในลักษณะที่ถ้าคุณวัดหนึ่งคุณจะรู้อะไรบางอย่างเกี่ยวกับอื่น ๆ ทันที (- และอนุภาคควอนตัมสามารถอยู่ในหลายสถานะในครั้งเดียวจนกว่าจะสังเกตเห็น (การซ้อนทับควอนตัม)
ควอนตัมซ้อนทับคืออะไร?
ในชีวิตประจำวันบางสิ่งบางอย่างสามารถอยู่ในสถานะเดียวเท่านั้น: สวิตช์ไฟเปิดหรือปิด- ในโลกควอนตัมสิ่งต่าง ๆ ไม่ได้ผลเหมือนกัน การซ้อนทับควอนตัมอธิบายว่าอนุภาคควอนตัมเช่นอิเล็กตรอนโฟตอนหรือแม้แต่อะตอมสามารถมีอยู่ในหลายสถานะที่แตกต่างกันในเวลาเดียวกัน -- ก่อนที่จะสังเกตเห็นมันไม่ได้อยู่กึ่งกลางระหว่างรัฐ แต่แทนที่จะเป็น "การซ้อนทับ" ของทั้งสองในครั้งเดียว
ในฟิสิกส์ควอนตัมสถานะของอนุภาคคืออธิบายโดยคลื่นสมการซึ่งบอกเราถึงความน่าจะเป็นว่าอนุภาคอาจเป็นอย่างไรหรือคุณสมบัติของมันอาจเป็นอย่างไร คลื่นความน่าจะเป็นนี้สามารถมีอยู่ในการผสมผสานของหลายรัฐ
แมวของSchrödingerคืออะไร?
เป็นการทดลองทางความคิดที่มีชื่อเสียงซึ่งแสดงให้เห็นว่าการทำงานของการซ้อนทับ ลองนึกภาพแมวในกล่องที่มีกลไกที่มีโอกาส 50/50 ในการฆ่ามันขึ้นอยู่กับว่าอนุภาคควอนตัมจะสลายกัมมันตภาพรังสีหรือไม่เปลี่ยนเป็นอะตอมชนิดต่าง ๆ และปล่อยอนุภาคกัมมันตรังสีเช่นอิเล็กตรอน
จนกว่าจะมีคนเปิดกล่องและสังเกตมันแมวก็ถือว่าอยู่ในการซ้อนทับของทั้งชีวิตและความตาย เมื่อคุณวัดหรือสังเกตระบบ - หรือในกรณีของแมวของSchrödingerมองเข้าไปในกล่อง - การซ้อนทับอยู่ในสถานะเดียวที่แน่นอนและพบชะตากรรมของแมว
ที่เกี่ยวข้อง:
การซ้อนทับควอนตัมได้รับโดยนักวิทยาศาสตร์หลายครั้ง ตัวอย่างหนึ่งที่มีชื่อเสียงคือการทดลองสองครั้งที่โฟตอนถูกยิงที่กำแพงที่มีสองร่องซึ่งอยู่ด้านหลังซึ่งเป็นหน้าจอ AA ที่บันทึกว่าอนุภาคลงจอดที่ไหน หากคุณส่งอนุภาคผ่านช่องเดียวคุณจะได้รับแถบเดียวบนหน้าจอ แต่ถ้าคุณเปิดทั้งสองอย่างคุณจะได้รูปแบบการรบกวนที่มีลักษณะคล้ายคลื่นที่มีหลายแถบบนหน้าจอซึ่งพิสูจน์ได้ว่าอนุภาคและคลื่นสามารถทำตัวเหมือนกัน การส่งอนุภาคหนึ่งครั้งในแต่ละครั้งคุณจะคาดหวังว่าแต่ละคนจะผ่านหนึ่งร่องหรืออื่น ๆ อย่างไรก็ตามรูปแบบการรบกวนยังคงสร้างขึ้นราวกับว่าแต่ละอนุภาคเดี่ยวจะรบกวนตัวเอง ซึ่งหมายความว่าแต่ละอนุภาคเดี่ยวจะผ่านทั้งสองช่องในครั้งเดียวและดังนั้นจึงอยู่ในการซ้อนทับของความเป็นไปได้ทั้งสอง
หากคุณพยายามที่จะวัดว่าอนุภาคที่ผ่านเข้ามาจะผ่านการซ้อนทับ: อนุภาคดูเหมือนจะผ่านร่องเดียวและรูปแบบการรบกวนจะหายไปเหลือเพียงสองแถบบนหน้าจอ
นอกจากนี้ไอออนและโมเลกุลขนาดใหญ่ได้รับการทดลองติดอยู่ในสถานะ superposed และคลอโรฟิลล์ในใบพืชถูกค้นพบเพื่อเก็บเกี่ยวแสงจากดวงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
เหตุใดการซ้อนทับจึงสำคัญในการคำนวณควอนตัม?
การซ้อนทับควอนตัมยังใช้เป็นเครื่องมือในและเป็นเหตุผลหลักที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประสิทธิภาพมาก
บิตไบนารีแบบคลาสสิกสามารถอยู่ในสถานะเดียวในแต่ละครั้ง: 0 หรือ 1 บิตเหล่านี้ถูกเข้ารหัสบนทรานซิสเตอร์ซึ่งมักจะทำจากซิลิคอนเจอร์เมเนียมหรือเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ ด้วยสามบิตอยู่พวกเขาสามารถมีศักยภาพ 8 รัฐที่แตกต่างกัน: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 และ 111 เพื่อประมวลผลความเป็นไปได้ทั้งหมดคอมพิวเตอร์คลาสสิกต้องตรวจสอบทีละครั้ง
ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมอนุภาคเช่นอิเล็กตรอนหรือโฟตอนทำหน้าที่เป็นก(ควอนตัมบิต) ซึ่งสามารถอยู่ในการซ้อนทับของทั้ง 0 และ 1 สาม qubits สามารถอยู่ในการซ้อนทับของทั้ง 8 สถานะที่เป็นไปได้ในครั้งเดียวซึ่งหมายความว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถประมวลผลการคำนวณจำนวนมากขึ้นพร้อมกัน ด้วยสาม qubits คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถประมวลผลทั้งแปดรัฐที่ระบุไว้ข้างต้นในครั้งเดียว
พลังการประมวลผลที่ยิ่งใหญ่กว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมอาจหมายความว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถนำมาใช้ในการจำลองที่ซับซ้อนในยาการสร้างแบบจำลองสภาพภูมิอากาศและการผลิตในวันหนึ่ง ในทางทฤษฎีคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประสิทธิภาพเพียงพอสามารถทำการคำนวณได้ในไม่กี่วินาทีที่จะใช้หลายล้านปีที่จะเสร็จสมบูรณ์
