Quantenüberlagerung

Quantenphysik

La Quantenüberlagerung Es ist ein Konzept, das immer häufiger gehört wird. Diese Eigenschaft der Natur wird in den Grundlagen von Quantencomputern, Quantenteleportation und dem Quanteninternet genutzt. Es gibt jedoch viele Menschen, die sich mit der Quantenüberlagerung nicht gut auskennen und für die es chinesisch klingt.

In diesem Artikel erklären wir Ihnen, was Quantenüberlagerung ist, welche Eigenschaften sie hat und welche Bedeutung sie hat.

Was ist Quantenüberlagerung?

Quantendestillation

Quantenüberlagerung ist ein Grundprinzip der Quantenmechanik es drückt die gleichzeitige Existenz eines physikalischen Systems, etwa eines Elektrons, in allen seinen möglichen theoretischen Zuständen aus. Bei Beobachtung kann es nur in eine dieser Konfigurationen „kollabieren“. Dieses „Einfrieren“ ist zufällig, basiert jedoch auf den Gesetzen der Wahrscheinlichkeit.

Eine Möglichkeit, die Quantenüberlagerung zumindest vereinfacht zu verstehen, besteht darin, anzunehmen, dass sich ein Teilchen gleichzeitig in zwei angeregten Zuständen befinden kann, bei der Beobachtung jedoch nur einen davon offenbart. Daher wird Superposition im Quantencomputing häufig verwendet. Ein „Qubit“ oder Qubit kann sowohl die Werte 0 als auch 1 annehmen; Im Gegensatz zu einem Bit muss ein Bit entweder 0 oder 1 sein.

Dieser Zustand der Quantenüberlagerung ist das Ergebnis eines theoretischen Vorschlags des französischen Herzogs Louis de Broglie, der 1924 vorschlug, dass Elektronen keine Teilchen, sondern Wellen seien. Das heißt, Elektronen sind keine „Kugeln“ aus Materie mit klassischen Wechselwirkungen (wie Kollisionen zwischen Billardkugeln), sondern Wellen, die sich durch den Raum bewegen. Das ist echt.

Quantenüberlagerung von Elektronen

Quantenüberlagerung

Wenn wir uns Elektronen als „Kugeln“ vorstellen, vermittelt uns die Summe von einem und dem anderen eine falsche Vorstellung davon, wie sich Materie verhält, weil wir sie uns wie Kugeln gestapelt vorstellen. Einige befinden sich oben, andere unten und einige seitlich. Allerdings funktioniert Materie nicht auf der Quantenebene auf diese Weise, sondern nur auf der makroskopischen Ebene. Das ist unseres.

Das Phänomen der Quantenüberlagerung ist seitdem leichter zu verstehen die Ansicht, dass Materie sich wie Wellen verhält. Im Gegensatz zur Materie können sich Wellen überlappen. Auf der Quantenebene verhält sich Materie wie Wellen, und es passiert etwas Interessantes: Materie kann sich gegenseitig „addieren“.

Eine interessante Analogie lässt sich in der Natur beobachten. Das folgende Bild zeigt die Wellen, die Wassertropfen auf der Wasseroberfläche hinterlassen. Es handelt sich um eine kreisförmige Welle, die sich entlang einer Oberfläche ausbreitet. Das weiß jeder, der schon einmal einen Stein in einen See geworfen hat. Im Prinzip ist jede Welle unabhängig.

Allerdings kommt es immer dann zur Wellenüberlagerung, wenn zwei Wellen zusammentreffen. Das heißt, ihre Größen addieren oder subtrahieren. Wenn die beiden Bergrücken aufeinandertreffen, steigt das Wasser sehr hoch. Wo zwei Täler sind, sehen wir Senken. Wenn die Spitzen mit den Tälern zusammenfallen, führt die Summe der Wellen zu einer Auslöschung.

Wellen und Quantenüberlagerung

Quantenüberlagerung von Atomen

Wenn Elektronen Wellen sind, die sich durch den Raum bewegen, können ihre Wellen ähnliche Dinge bewirken wie Wasser. Das Phänomen ist viel komplizierter, aber hier ist eine Möglichkeit, es zu vereinfachen. Doch die Frage, die viele beschäftigt, ist: Wo sind die Elektronen?

Nach den Gesetzen der Quantenmechanik gilt Quantenüberlagerung kann auftreten, bis die Teilchen beobachtet werden. Dann kollabiert die Wellenfunktion (diejenige, die die Wahrscheinlichkeit beschreibt, dass ein Teilchen den einen oder anderen Zustand hat, wie wir Teilchensysteme darstellen) oder wird als spezifischere Wellenfunktion definiert.

Obwohl dies nicht ganz korrekt ist, kann die folgende Analogie verwendet werden. Ein Heliumballon schwebt in einem dunklen Raum. Erste, Es ist unmöglich, genau zu wissen, wo sich der Ballon befindet, da es sehr komplizierte Luftströme gibt, die den Ballon von einer Seite zur anderen bewegen. Es ist möglich, die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass sich der Ballon an der einen oder anderen Stelle befindet. Das ist seine Wellenfunktion.

Woher wissen Sie, wo es jetzt ist? Wie lässt man die Wellenfunktion „kollabieren“? Ein Experiment, das durchgeführt werden kann, ist das Werfen von Dartpfeilen. Wenn der Pfeil dorthin geht, wo der Ballon nicht ist, hören wir keinen Ton. Wenn der Pfeil jedoch durch den Ballon geht, hören wir eine Explosion. Das Fazit lautet: Der Ballon bestimmt seine Position unabhängig davon, ob der Pfeil ihn trifft oder nicht. Das heißt, es wird im physischen Sinne „zusammenbrechen“ und offenbaren, wo es sich befindet.

Auch wenn es keine perfekte Analogie ist, hilft das Ballonbeispiel zu verstehen, wie Elektronen gleichzeitig in einem bestimmten Raumbereich verteilt sein können und wie man nur erkennen kann, was es ist, wenn man es betrachtet.

Dienstprogramm heute

Wenn diese Eigenschaft so interessant ist, dann deshalb, weil sie zum Bau von Quantencomputern genutzt werden könnte. Im Jahr 2016 nutzte ein Forscherteam die Quanteneigenschaften von Materie, einschließlich Überlagerungszuständen, um die Übertragung von Informationen über große Entfernungen zu ermöglichen.

In 2017, Ein anderes Team teleportierte erfolgreich einen Quantenzustand zwischen zwei verbundenen Knoten. Im Jahr 2022 gelang es einer Forschergruppe, einen Quantenzustand zwischen zwei getrennten Knoten zu teleportieren, indem die Knoten von Alice, Bob und Charlie nacheinander verbunden wurden. Durch diese Experimente ist es möglich, ein zuverlässigeres Internet aufzubauen

Derzeit erforschen Wissenschaftler Möglichkeiten, sich diese Eigenschaft zunutze zu machen, um Probleme zu lösen, die mit klassischen Computern nur sehr schwer oder gar nicht zu lösen wären. In einem Quantencomputer werden die klassischen Bits (0 oder 1) durch Qubits ersetzt, die Sie können sich überlappen, was bedeutet, dass sie gleichzeitig 0 und 1 darstellen können. Dadurch kann der Quantencomputer mehrere Lösungen gleichzeitig untersuchen, was ein enormes Potenzial zur Lösung komplexer Probleme in Bereichen wie Kryptographie, Materialsimulation und Optimierung bietet.

Eine weitere interessante Anwendung ist die sichere Quantenkommunikation. Aufgrund der Eigenschaft der Quantenüberlagerung wird jeder Versuch, die übertragenen Informationen zu stören, sofort erkannt, was zu praktisch undurchdringlichen Kommunikationssystemen führen und die Vertraulichkeit von Informationen gewährleisten könnte.

Ich hoffe, dass Sie mit diesen Informationen mehr über die Quantenüberlagerung, ihre Eigenschaften und ihren Nutzen erfahren können.


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