De kleinste gebeurtenissen hebben enorme gevolgen. En geen enkel wetenschappelijk veld laat dat beter zien dan de kwantumfysica, die het vreemde gedrag van - meestal - heel kleine dingen onderzoekt. In 2019 gingen kwantumexperimenten naar nieuwe en nog vreemdere plaatsen en de praktische quantumcomputing kwam, ondanks enkele controverses, steeds dichter bij de realiteit. Dit waren de belangrijkste en meest verrassende kwantumevenementen van 2019.
Google claimt "kwantum suprematie"
Als een kwantumnieuwsitem uit 2019 de geschiedenisboeken haalt, zal het waarschijnlijk een grote aankondiging zijn die van Google kwam: het technologiebedrijf kondigde aan dat het "kwantumsuprematie" had bereikt. Dat is een mooie manier om te zeggen dat Google een computer heeft gebouwd die bepaalde taken sneller kan uitvoeren dan welke klassieke computer dan ook. (De categorie klassieke computers omvat elke machine die vertrouwt op gewone oude 1-en en 0-en, zoals het apparaat dat u gebruikt om dit artikel te lezen.)
Als Google Quantum supremacy claimt, zou dit een keerpunt in de geschiedenis van de computer zijn. Quantumcomputers vertrouwen op vreemde kleinschalige fysieke effecten zoals verstrengeling, evenals bepaalde fundamentele onzekerheden in het nano-universum, om hun berekeningen uit te voeren. In theorie geeft die kwaliteit deze machines bepaalde voordelen ten opzichte van klassieke computers. Ze kunnen klassieke coderingsschema's gemakkelijk doorbreken, perfect gecodeerde berichten verzenden, sommige simulaties sneller uitvoeren dan klassieke computers en kunnen in het algemeen heel gemakkelijk harde problemen oplossen. Het probleem is dat niemand ooit een quantumcomputer heeft gemaakt die snel genoeg is om te profiteren van die theoretische voordelen - of in ieder geval niemand, tot Google's prestatie dit jaar.
Niet iedereen koopt echter de suprematieclaim van het technologiebedrijf. Subhash Kak, een quantum-scepticus en onderzoeker aan de Oklahoma State University, heeft verschillende redenen uiteengezet in dit artikel voor WordsSideKick.com.
Lees meer over Google's verwezenlijking van kwantum suprematie.
De kilogram gaat kwantum
Een ander kwantumbuigingspunt uit 2019 kwam uit de wereld van gewichten en maten. De standaard kilogram, het fysieke object dat de massa-eenheid voor alle metingen definieerde, was lange tijd een 130 jaar oude, platina-iridiumcilinder geweest van 2,2 lbs. en zittend in een kamer in Frankrijk. Dat is dit jaar veranderd.
De oude kilo was redelijk goed en veranderde de afgelopen decennia nauwelijks van massa. Maar de nieuwe kilo is perfect: op basis van de fundamentele relatie tussen massa en energie, en een eigenaardigheid in het gedrag van energie op kwantumschalen, konden natuurkundigen tot een definitie van de kilogram komen die helemaal niet zal veranderen tussen dit jaar en het einde van het universum.
Lees meer over het perfecte kilogram.
De realiteit brak een beetje
Een team van natuurkundigen heeft een kwantumexperiment ontworpen waaruit bleek dat feiten feitelijk veranderen, afhankelijk van uw perspectief op de situatie. Natuurkundigen voerden een soort 'toss' uit met fotonen in een kleine quantumcomputer en ontdekten dat de resultaten bij verschillende detectoren verschillend waren, afhankelijk van hun perspectief.
'We laten zien dat in de microwereld van atomen en deeltjes die wordt beheerst door de vreemde regels van de kwantummechanica, twee verschillende waarnemers recht hebben op hun eigen feiten', schreven de experimentalisten in een artikel voor WordsSideKick.com. 'Met andere woorden, volgens onze beste theorie van de bouwstenen van de natuur zelf kunnen feiten eigenlijk subjectief zijn.'
Lees meer over het gebrek aan objectieve realiteit.
Entanglement kreeg zijn glamourshot
Voor het eerst maakten natuurkundigen een foto van het fenomeen Albert Einstein dat wordt beschreven als 'spookachtige actie op afstand', waarbij twee deeltjes fysiek met elkaar verbonden blijven, ondanks dat ze over afstanden zijn gescheiden. Dit kenmerk van de kwantumwereld was al lang experimenteel geverifieerd, maar dit was de eerste keer dat iemand het te zien kreeg.
Lees meer over het onvergetelijke beeld van verstrikking.
Er ging iets groots in meerdere richtingen
In sommige opzichten is het conceptuele tegenovergestelde van verstrengeling, kwantumsuperpositie, mogelijk dat een enkel object op twee (of meer) plaatsen tegelijk kan zijn, een gevolg van materie die bestaat als zowel deeltjes als golven. Dit wordt meestal bereikt met kleine deeltjes zoals elektronen.
Maar in een experiment uit 2019 slaagden natuurkundigen erin superpositie op de grootste schaal ooit te bereiken: met kolossale moleculen van 2000 atomen uit de medische wereld die bekend staan als 'oligo-tetrafenylporphyrins verrijkt met fluoralkylsulfanylketens'.
Lees over het bereiken van superpositie op macroschaal.
Warmte ging door het vacuüm
Onder normale omstandigheden kan warmte slechts op één manier door een vacuüm gaan: in de vorm van straling. (Dat is wat je voelt als de zonnestralen de ruimte doorkruisen om op een zomerse dag op je gezicht te kloppen.) Anders, in standaard fysieke modellen, beweegt warmte op twee manieren: ten eerste kunnen bekrachtigde deeltjes in andere deeltjes kloppen en hun energie overdragen . (Wikkel uw handen om een warme kop thee om dit effect te voelen.) Ten tweede kan een warme vloeistof een koudere vloeistof verdringen. (Dat is wat er gebeurt als je de verwarming in je auto aanzet en het interieur met warme lucht overspoelt.) Dus zonder straling kan warmte niet door een vacuüm gaan.
Maar de kwantumfysica overtreedt zoals gewoonlijk de regels. In een experiment uit 2019 profiteerden natuurkundigen van het feit dat stofzuigers op de kwantumschaal niet echt leeg zijn. In plaats daarvan zitten ze vol met kleine, willekeurige fluctuaties die in en uit het bestaan springen. Op een voldoende kleine schaal, ontdekten de onderzoekers, kan warmte een vacuüm doorkruisen door van de ene fluctuatie naar de andere over de schijnbaar lege ruimte te springen.
Lees meer over warmte die over het kwantumvacuüm van de ruimte springt.
Oorzaak en gevolg zijn mogelijk achteruit gegaan
Deze volgende bevinding is verre van een experimenteel geverifieerde ontdekking en ligt zelfs ver buiten het rijk van de traditionele kwantumfysica. Maar onderzoekers die met kwantumzwaartekracht werken - een theoretisch construct dat is ontworpen om de werelden van de kwantummechanica en de algemene relativiteit van Einstein te verenigen - toonden aan dat onder bepaalde omstandigheden een gebeurtenis een effect zou kunnen veroorzaken dat eerder in de tijd optrad.
Bepaalde zeer zware objecten kunnen door algemene relativiteit de tijd in hun directe omgeving beïnvloeden. We weten dat dit waar is. En kwantumsuperpositie dicteert dat objecten zich op meerdere plaatsen tegelijk kunnen bevinden. Zet een heel zwaar object (zoals een grote planeet) in een toestand van kwantumsuperpositie, schreven de onderzoekers, en je kunt excentrieke scenario's ontwerpen waarin oorzaak en gevolg in de verkeerde volgorde plaatsvinden.
Lees meer over het omkeren van oorzaak en gevolg.
Quantumtunneling is gebarsten
Natuurkundigen weten al lang van een vreemd effect dat bekend staat als 'kwantumtunneling', waarbij deeltjes lijken te passeren door schijnbaar onbegaanbare barrières. Het is niet omdat ze zo klein zijn dat ze gaten vinden. In 2019 liet een experiment zien hoe dit echt gebeurt.
De kwantumfysica zegt dat deeltjes ook golven zijn, en je kunt die golven zien als kansprojecties voor de locatie van het deeltje. Maar het zijn nog steeds golven. Sla een golf tegen een barrière in de oceaan en het zal wat energie verliezen, maar aan de andere kant zal een kleinere golf verschijnen. Een soortgelijk effect doet zich voor in de kwantumwereld, vonden de onderzoekers. En zolang er nog een waarschijnlijkheidsgolf aan de andere kant van de barrière over is, heeft het deeltje de kans om door de obstructie te komen en door een ruimte te tunnelen waar het lijkt dat het niet zou moeten passen.
Lees meer over het verbazingwekkende quantumtunnelingseffect.
Mogelijk is waterstof op aarde verschenen
Dit was een groot jaar voor natuurkunde onder ultrahoge druk. En een van de meest gewaagde beweringen kwam van een Frans laboratorium, dat aankondigde dat het een heilige graalstof voor materiaalkunde had gecreëerd: metallische waterstof. Bij voldoende hoge drukken, zoals die waarvan men denkt dat ze in de kern van Jupiter bestaan, wordt aangenomen dat enkelvoudige proton-waterstofatomen werken als een alkalimetaal. Maar niemand was er ooit in geslaagd om druk te genereren die hoog genoeg was om het effect in een laboratorium te demonstreren. Dit jaar zei het team dat ze het hadden gezien bij 425 gigapascal (4,2 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde op zeeniveau). Niet iedereen koopt die claim echter.
Lees meer over metallische waterstof.
We zagen de kwantumschildpad
Zap een massa onderkoelde atomen met een magnetisch veld en je ziet "kwantumvuurwerk": stralen atomen die in schijnbaar willekeurige richtingen afvuren. Onderzoekers vermoedden dat er een patroon in het vuurwerk zat, maar dat was niet alleen te zien aan het kijken. Met behulp van een computer ontdekten onderzoekers echter een vorm voor het vuurwerkeffect: een kwantumschildpad. Niemand weet echter zeker waarom het die vorm aanneemt.
Lees meer over de kwantumschildpad.
Een kleine quantumcomputer keerde de tijd terug
De tijd zou maar in één richting moeten bewegen: vooruit. Mors wat melk op de grond en er is geen manier om het vuil perfect uit te drogen en diezelfde schone melk terug in de beker te doen. Een spreidende kwantumgolffunctie verspreidt zich niet.
Behalve in dit geval deed het dat. Met behulp van een kleine quantumcomputer met twee qubits konden natuurkundigen een algoritme schrijven dat elke golf van golf kon teruggeven aan het deeltje dat de golf veroorzaakte - de gebeurtenis afwikkelen en de pijl van de tijd effectief terugdraaien.
Lees meer over het omkeren van de pijl van de tijd.
Een andere kwantumcomputer zag 16 toekomsten
Een leuke functie van kwantumcomputers, die afhankelijk zijn van superposities in plaats van enen en nullen, is hun vermogen om meerdere berekeningen tegelijk uit te spelen. Dat voordeel is volledig zichtbaar in een nieuwe quantumvoorspellingsengine die in 2019 is ontwikkeld. De onderzoekers achter de engine simuleerden een reeks verbonden gebeurtenissen en konden 16 mogelijke toekomsten coderen in één foton in hun engine. Dat is multitasken!
Lees meer over de 16 mogelijke toekomsten.
