Bir mesajın yapamadığımızda veya mantıklı olmadığı zaman tutarsız olduğunu söylüyoruz. Kalabalık bir kafede beş masa olan karalanmış bir not, sarhoş bir argüman veya bir konuşma, tutarsız olabilir. Genel olarak, “tutarlı” tam tersi – tutarlı, bağlı, net anlamına gelir.
Bilimde, tutarlılık kelimesi daha spesifik, matematiksel tanımlar alır, ancak hepsi benzer bir kavramda bulunur: Birleşik bir bütün oluşturursa ve ilk iki nitelik devam ederse anlaşılabilirse bir şey tutarlıdır.
Bilim adamları başlangıçta ışığın dalga benzeri davranışını anlamak ve tanımlamak için tutarlılık kavramını geliştirdiler. O zamandan beri, kavram akustik, elektronik ve kuantum mekanik sistemler gibi dalgaları içeren diğer sistemlere genelleştirildi.
ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndan bir bilim adamı olan Martin Holt, “Tutarlılık, belirli sistemlerin birbirleriyle ilişkilerini ne kadar iyi koruyacağının ve bu sistemlerin evrimini ne kadar iyi tahmin edebildiğimizin bir ölçüsüdür.” Dedi. ve Argonne liderliğindeki bir DOE Ulusal Kuantum Bilgi Bilim Araştırma Merkezi olan Q-NEXT üyesi. “Kuantum teknolojilerinde tutarlılığı anlamak ve kontrol etmek çok önemlidir, çünkü ilgili ilişkilerin çok uzun ömürlü ve iyi anlaşılması gerekmektedir.”
Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar gibi, Q-next bilim adamları da kuantum algılama ve kuantum bilgi işlem gibi teknolojiler için kuantum sistemlerinde tutarlılığı inceliyor ve geliştiriyorlar. Bir kez gerçekleştikten sonra, bu teknolojiler karmaşık hesaplamalar yapmak, yüksek çözünürlüklü ölçümler almak ve ihmal edilemez mesajlar iletmek için tutarlılıktan yararlanacak, potansiyel olarak iletişim, siber güvenlik, simülasyon, optimizasyon ve daha fazlasına yaklaşımımızı devrim yaratacak.
Tutarlı dalgalar
Belli bir hızda (frekans) ve belirli bir yükseklik veya yoğunlukta (genlik) periyodik olarak yükselen ve düşen bir dalga hayal edin. Şimdi, ikinci bir dalgaya atın. Eğer iki dalga birbirinden dengelenirse – eğer yükseliyor ve birlikte düşmüyorlarsa – faz dışı oldukları söylenir. Dalgaların birbirleri üzerinde amplifikasyon veya iptal etme etkisine sahip olup olmayacağını veya aradaki bir şeye sahip olup olmayacağını belirleyen bu faz farkıdır.
Bunu günlük yaşamda görüyoruz. Yapıcı girişim, iki şarkıcı birbirinin seslerini yükselttiğinde veya trambolin üzerinde bir arkadaşınızı iki katına çıkardığınızda meydana gelir. Ses dalgalarının yıkıcı müdahalesi, gürültü önleyici kulaklıkların arkasındaki prensiptir.
Aşamaları arasında anlamlı bir ilişki olduğunda veya parazitleri iyi anlaşılmış bir model oluşturduğunda iki dalga tutarlıdır. Özünde, tutarlılık, dalgaların birbirleriyle nasıl senkronize edildiğinin bir ölçüsüdür. Tutarlılık dereceleri vardır; Dalgalar birbiriyle az çok tutarlı olabilir.
Örneğin lazerler, son derece tutarlı ışık yaymak için tasarlanmıştır. Enerji ile heyecanlı atomlar içerirler ve çürümeleri üzerine, birbirleriyle aynı frekans ve faz ile fotonlar (ışık parçacıkları) yayarlar. Bu fotonlar, sadece belirli bir yönde ve belirli bir frekansla hareket eden ışığı yükseltmeye hizmet eden lazer içindeki aynalardan seker. Fotonlar arasındaki bu özel parazit – veya tutarlılık – yüksek oranda odaklanmış ve eşit bir ışık demeti ile sonuçlanır. Ses dalgaları benzer şekilde tutarlı olabilir ve bilim adamları ses lazerleri veya saserlar bile yaratmışlardır.
Kuantum tutarlılığı
Kuantum mekaniğinde, nesneler ya dalgaların veya parçacıkların bir kombinasyonu olarak temsil edilebilir. Prensip olarak, bu herhangi bir nesne için geçerlidir. Ancak, fotonlar, diğer temel parçacıklar ve atomlar gibi çok küçük nesnelerle uğraşırken şeylere en iyi şekilde çalışır.
Kuantum nesneleri, dalga fonksiyonu adı verilen özel bir tanımlayıcı türüyle tanımlanabilir. Steroidler üzerinde bir dalga, çünkü matematiksel köşeleri ve çatlakları içinde inanılmaz miktarda bilgi içerebilir.
Bunun nedeni, dalga fonksiyonlarının dalgaların kendilerinin kompozitleri olmasıdır. Kuantum tutarlılığı, bu dalgalar arasındaki faz ilişkilerini ifade eder – birlikte tüm nesneyi tanımlayanlar. Bu dalgalar tutarlı yollara müdahale ettiğinde, bir nesnenin aynı anda birden fazla eyalette var olmasını sağlayan kuantum mekaniğinin merkezi bir özelliği olan kuantum süperpozisyonuna yol açar.
İşte benzersiz bir kuantum var. Bir nesnenin kuantum dalga fonksiyonunu oluşturan dalgalar, konum veya enerji gibi fiziksel değerlere karşılık gelmez. Bunun yerine, nesnenin durumunun gelişebileceği farklı olası yolların olasılığına karşılık gelirler – örneğin, enerjisinin zaman içinde belirli bir şekilde değişme olasılığı veya belirli bir şekilde belirli bir şekilde dönme olasılığı konum. Kuantum tutarlılığı, nesnenin bu farklı olası olası geçmişleri arasında bir parazittir.
Bununla birlikte, bu parazit ancak sistem gözlemlenene veya rahatsız edilinceye kadar mevcut olabilir. Bu noktada, dalgalar arasındaki parazit kaybolur ve süperpozisyon kaybolur. Nesne görünüşe göre olası geçmişlerden sadece birini yaşadı.
Gelecekteki olası tarihlerin müdahale etmesi ne anlama geliyor? Ve dalga fonksiyonunun bu tarihlerden sadece birine çökmesi için mi? Bunlar zor sorular. Şu anda, kuantum mekaniğinin bu özelliğinin gerçekliğimizin doğası için ne anlama geldiğinden daha fazla şey biliyoruz.
Kuantum seviyesinde algılama
Tutarlılık kırılgandır ve korunması zordur. Mükemmel izole kuantum nesneleri ve sistemleri tutarlılığı süresiz olarak koruyabilir, ancak bunları manipüle etmek veya araştırmak imkansız olacaktır.
Bir kuantum nesnesi diğer nesnelerle veya alanlarla karşılaştıkça, her birinden rastgele etkiler alır. Nesneyi ölçme eylemi bile mutlaka gürültü getirir, orijinal dalga fonksiyonunu deşifre etmek zordur – imkansız değilse. Sonuç olarak, tutarlı sistemde depolanan bilgiler, ayrışma adı verilen bir süreçte kaybolur.
Ancak bazı uygulamalar için, dekoherans bir avantaj olabilir.
Jennifer Dionne, “Belirli bir tutarlılığa sahip devletlerin belirli bir üst üste binmesi için bir nesne hazırlarsanız ve bunu bilinmeyen etkileri olan bir ortama gönderirseniz, nesnenin faz ilişkisinde bir değişiklik çevre hakkında anlamlı bilgiler sağlayabilir.” Dedi. Stanford Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Radyoloji Profesörü ve Q-NEXT Direktör Yardımcısı.
Burada kuantum nesnesinin kendisi sensördür. Faz ilişkisi çok hassas olduğundan, çevredeki ince etkilere büyük bir şekilde yanıt verir. Bu hassasiyet son derece yüksek çözünürlüklü tespit ve görüntüleme mümkün olabilir. Kuantum tutarlılığı, bilim adamlarının sensörü zamanla devam edecek iyi anlaşılmış bir durumda başlatmalarını sağlar. Bu, bu durumun nasıl değiştiğini ve bu değişikliklerin çevre hakkında ne anlama geldiğini geriye dönük olarak belirlemeyi kolaylaştırır.
Örneğin, Dionne’nin laboratuvarı kuvveti tespit etmek için kuantum sensörleri geliştiriyor.
Dionne, “Bir organizma içindeki mekanik kuvvetle karşılaştıklarında nanopartiküllerin renklerinin nasıl değiştiğini inceliyoruz.” Dedi. “Bu sensörleri test denekleri olarak solucan kullanarak canlı organizmalarda dağıtmaya başladık. Solucanların sindirim sistemleri kuvvet uygularken, nanoparçacık içindeki kuantum geçişleri, sindirim sırasında okuyabileceğimiz rengi değiştirmesine neden oluyor.”
Atomik saatler ve yerçekimi dalga sensörleri de ultrajyon için kuantum tutarlılığına güvenir. Kuantum tutarlılığı kullanan gelecekteki algılama uygulamalarının diğer örnekleri arasında, tek hücreleri veya molekülleri taramak veya tüm organizma MRI taramalarının çözünürlüğünü önemli ölçüde iyileştirmek için kullanılabilen minyatürleştirilmiş manyetik rezonans görüntüleme (MRI) teknolojileri bulunmaktadır.
Kuantum tutarlılığı biyolojik sistemlerde de rol oynar. Bilim adamları, kuşların, iç GP’ler gibi navigasyon için dünyanın manyetik alanını algılamak için gözlerindeki kuantum tutarlılığını kullandıklarına inanıyorlar. Araştırmacılar, insanların uydu tabanlı GP’lerin imkansız olduğu durumlarda gezinmelerine yardımcı olmak için aynı prensipleri kullanarak manyetik alan sensörleri geliştiriyorlar.
Kuantum hesaplamaya merhaba dalga
Tutarlı bir nesne büyük bir sensör olarak işlev görebilir. Birbiriyle tutarlı olan iki veya daha fazla kuantum nesnesi kuantum hesaplamasını etkinleştirir.
Bir bilgisayardaki geleneksel veya klasik bit, 0 veya 1 olmak üzere iki durumdan birinde var olabilir. Kuantum süperpozisyonu sayesinde, kuantum biti – bir kubit – aynı anda iki eyaletin bir kombinasyonunda olabilir. Tutarlılık, bu durumlar arasında zaman ve mekan arasında faz ilişkilerinin ve dolayısıyla süperpozisyonun sürdürülmesinden sorumludur.
Dionne, “Kuantum hesaplamada, klasik bitlere ekleme veya çarpma gibi işlemler yapmak yerine, dalga fonksiyonunu oluşturan dalgaların farklı bileşenleri üzerinde işlemler gerçekleştiriyorsunuz.” Dedi. “Bilgisayar işlemleri gerçekleştirdikçe, dalga fonksiyonunun farklı kısımları olarak hatalar biriktirmemesi için tutarlılığı yeterince uzun süre korumak önemlidir.”
Tutarlılık ayrıca kuantum hesaplama için çok önemli olan özel bir süperpozisyon vakası olan dolaşmayı sürdürmekten sorumludur. Kuantum nesneleri dolaştığında, fiziksel olarak büyük mesafelerle ayrılmış olsalar bile birbirleriyle belirli bir korelasyonu sürdürürler.
Dionne, “İki dolaşmış nesne birbiriyle tutarlı kaldığı sürece, bunlardan birinde bir işlem gerçekleştirebilirsiniz ve bu size diğeri hakkında bilgi verecektir.” Dedi.
Diyelim ki atmayı planladığınız bir pizza partisinin başarısını tahmin etmek için bir kuantum bilgisayar kullanmak isteyin. İlk olarak, pizzanın tadı ve konuk sayısı gibi başarılı bir partiye hangi faktörlerin katkıda bulunacağına karar vermeniz gerekir. Pizza hamurunuzda suyun un oranı temsil etmek için bir kubit atayabilirsiniz, 0 su, 1 sadece suyu temsil eder ve aralarındaki süperpozisyon tüm olası oranları temsil eder. Başka bir kubit, kimseden davet ettiğiniz herkese kadar görünen insan sayısını temsil edebilir. Belki de üçüncü bir kubit, yemeğinizi yakma olasılığınızı temsil eder, vb.
Holt, “Tüm bu olasılıklar temiz, tutarlı durumlarda yakalandınız ve sistemin zamanla gelişmesine izin veriyorsunuz.” Dedi. “Simülasyonu yeterince tekrarlarsanız, partinin dolaşmış kubitlerin dalga fonksiyonlarında kodladığınız faktörlere dayanma olasılığını elde edersiniz. Ancak simülasyon sadece devletler tutarlı ise devam eder.”
Bilginin dalga fonksiyonuna gömülme şekli nedeniyle, sadece az sayıda kubit, güç şebekesi optimizasyonu veya malları dünyanın dört bir yanına dağıtmanın en enerji tasarruflu yolunu bulma gibi birçok bağımlılıkla çok karmaşık, gerçek dünya problemlerini temsil edebilir. . Sistem ne kadar uzun süre tutarlı olursa, hesaplamalar o kadar karmaşık olabilir.
Kuantum tutarlılığını korumak
Holt’un Argonne’deki çalışması, bir kusurun-değiştirilen bir atom veya atomik boşluk-bir malzemenin normal yapısına gömüldüğü madde tabanlı kubitlerin gelişimine odaklanıyor. Bilim adamları, kusurları dekobiden korumaya çalışsalar da, sıcaklık, basınç veya manyetik alanlardaki küçük değişiklikler gürültü getirebilir.
Spor salonunda koştuğunuzu ve müzik hoparlörlerin üzerinde çaldığını düşünün. Müziğin ritmine koşmak yerine kendi hızınızda koşmanın zor olduğunu fark ediyorsunuz ve akışınızı mahvediyor.
“Bunu önlemenin birkaç yolu var,” dedi Holt. “Dış etkiden izole olmanız için kulaklıklar giyebilirsiniz veya vücudunuzun ritmini müzikten ayırmanın daha kolay olması için önemli ölçüde daha hızlı veya daha yavaş çalışmaya başlayabilirsiniz. O zaman, müzik değişse bile, ‘umursamadığınız için ondan bu kadar uzaktasın. “
Kubitleri gürültüden izole etmek için, bilim adamları kuantum bilgisayarları çok soğuk tutar – mutlak sıfırın hemen hemen. Ayrıca, çevrelerinin etkilenmediği ışık veya ses frekanslarına yanıt vermek için kubitlerin durumlarını tasarlayarak ve manipüle ederek kubitleri çevrelerinden ayırırlar.
Bunu başarmak zordur ve farklı kupit türlerinin korunması diğerlerinden daha kolaydır. Şimdiye kadar, en uzun ömürlü kubitlere, birkaç dakika veya daha uzun süre tutarlı kaldığı gösterilen tuzağa düşmüş atomlar denir. Ancak, bu kubitlerin hesaplama uygulamaları için kullanımı zordur. Argonne ve Chicago Üniversitesi’ndeki Q-next bilim adamları tarafından yakın zamanda uzun ömürlü tutarlılığın gösterilmesi yapılmıştır. Ekip, kuantum hesaplama için daha umut verici olan belirli bir yarı iletken kubbitin beş saniyeden fazla tutarlı olduğunu gösterdi.
Holt, “Decoherens yoluyla bilgi kaybının önlenmesi, kuantum bilgi biliminin zor kısmıdır ve bu yüzden alana denir.” Dedi. “Bu sadece kuantum bilimi değil, kuantum tutarlılığını kullanarak bilgi işleme.”
