物理

两次量子革命

一个多世纪以来,量子物理学揭示了微观世界的内部运作。其结果有时违反直觉,已在我们的日常生活中得到了重要应用:这是第一次量子革命。第二个正在进行中。采访Serge Haroche,2012年诺贝尔物理学奖。

塞尔吉·哈罗什(Serge Haroche) 科学档案N°93
塞尔吉·哈罗什(Serge Haroche)

量子物理学是如何产生的?

塞尔吉·哈罗什(Serge Haroche): 在。。。之初 xx e 世纪,古典力学,电磁学和热力学的成功表明物理学是一门几乎完成的科学。但是,两个问题仍未解决。第一个与光速的值有关:爱因斯坦证明它与测量帧的速度无关,从而放弃了绝对时间的概念。另一个问题是由加热体的辐射光谱引起的,它不符合经典物理学的规则。爱因斯坦再次通过接受普朗克的想法解决了这个问题。他推测光波也由小体(后称光子)组成。这就是波动与粒子之间的二元论诞生的地方。因此,这两个问题的解决产生了相对论和量子物理学理论。对于后者,花了二十年的反复试验才得出一个数学上完整的理论。一旦建立,它已成为理解自然的非凡工具。

从这种波粒二象性出发,量子物理学的所有重要基础都已形成。

这些支柱之一是国家叠加原则。可以同时在多个地方发现一个微观系统,例如一个像光一样的原子,既是波,又是粒子。它也可以同时处于不同能量状态;光子也可以同时处于各种极化状态。叠加这个基本概念导致了另一个重要概念,即纠缠(请参阅A. Aspect第22页,关于爱因斯坦-玻尔的辩论已完全封闭)。系统中已交互的各部分保持链接:在一个部分上进行的测量会立即对另一部分上的测量结果产生影响,即使这些部分相距甚远。波粒二象性的另一个结果是量子物理学的概率性质。实际上,与粒子关联的波是概率波:其强度对应于在给定位置找到粒子的概率。通过引入这种描述光的二元论,爱因斯坦打开了潘多拉魔盒,在物理学中灌输了一种对古典思维有深刻反直觉的想法。这种物理学不能确定地预测任何给定实验的结果,而只能预测可能结果的概率。状态叠加和概率波的概念最终与量子干扰现象相关:叠加的概率波可以根据它们是否同相而增加或减少。与管理经典概率的法律有很大不同

量子物理学仍然提出哪些概念问题?

让我们用现实的思想来唤起清晰的表达(见对A.Auffèves的采访,第18页)以及对该理论进行解释的问题,这些问题在自然的量子描述与某些人想要的东西之间引起了矛盾她是。对于大多数物理学家来说,没有真正的问题,因为形式主义允许与迄今为止所有实验的结果相一致地做出精确的预测。这些预测是不确定的,这对他们来说并不构成问题,因为在相同系统上进行的一组观察总是给出随机结果的分布,这受量子理论制定的统计定律支配。换句话说,对于大多数物理学家来说,量子理论是统计的,因为本质上是自然的。另一方面,其他人则不接受尝试克服这种机会来描述客观的确定性现实的机会。所有这些讨论距离精确的物理现象的分析还很远。困难在于想象将与量子物理学相矛盾的关键实验。

另一个问题是与重力的对抗...

引力是唯一在量子物理学中没有得到一致描述的自然力(请参见S. Carlip第100页的2D量子引力)。理论家寻求解决这一问题,并统一量子理论和引力,特别是在弦论的框架内。一些人认为,这种统一将为解释问题提供新的思路。但是我们可以通过统一引力和量子物理学来使后者的概念变得不合常理的想法仍然是非常假想的。事实仍然是,这两种理论是在一百多年前从爱因斯坦的著作中诞生的,它们仍然存在冲突。

在量子力学本身中,仍然存在哪些理论挑战?

量子理论取得了巨大的成功。我们能够以更高的精度进行的所有实验都证实了这一点。所有观察结果尤其支持粒子的标准模型。有一天,我们可能会发现不适合该模型的粒子,但是它们可能不会挑战将继续适用于提供微观世界描述框架的量子原理。

您认为非常重要的最新结果是什么?

在我的量子信息领域,我们操纵单个量子对象,并试图突出量子逻辑,也就是说研究状态和纠缠的叠加如何直接表现出来。 ...如今,已经有两种类型的系统已经进行了相当长的实验。这些一方面是被捕获的单个原子或离子的集合,另一方面是超导电路的网络。这个物理学的伟大梦想是量子计算机,它将直接利用量子概念来比传统计算机更快,更高效地进行计算(请参阅Ch。Monroe,第62页的套件形式的量子计算机)。这个目标仍然很遥远,因为我们知道如何仅处理小型系统(由几个离子或几个电路组成),而这种设备(有用)必须在更大的范围内运行。在越来越大的系统中进行操作时,状态叠加层往往变得模糊。这是退相干。

最近在限制这种退相干方面已经取得了很大进展,但是还有很多工作要做。然而,在相关领域中,已经获得了将在实际设备中有用的结果,例如在量子计量学中。我们希望能够制造比传统物理学更精确的设备来测量弱磁场或电场,甚至计算时间间隔。原子钟最近取得了长足的进步。我们拥有的那些已经基于量子现象,即原子中电子的振荡。它们已经达到了非凡的精度(仅是宇宙年龄漂移的一秒)。由于器件利用量子纠缠,我们正在尝试进一步改善这些性能。

改善制度 全球定位系统 ?

配备我们的车辆和电话的设备构成了原子钟最引人注目的应用。它们被嵌入到协调卫星中,这些卫星向我们发送信号,以便通过三角测量确定我们的位置。当前的精度约为米。使用效率更高的时钟,我们可以提高精度,但也可以想象新的应用。这些时钟对时间流取决于重力场这一事实很敏感。然后,我们可以测量该领域中极小的局部变化,以预测地震的来临。它仍然是推测性的,但这是可能的应用之一。

在应用领域,有两次革命。

首先是我们日常生活中使用量子物理学的设备,但没有直接利用其反直觉方面。它基于对电子和原子水平的微观世界定律的认识。因此,对固体中电子流动的理解导致了半导体材料,超导性以及所有现代电子学和经典计算机的发展。另一个例子,激光是由我们从光与物质的量子相互作用中学到的东西产生的。

现在所谓的第二次革命与设备的发展有关,量子逻辑将在其中发挥重要而直接的作用(请参阅T. Giamarchi,第34页的邻近量子物理学)。这些是我们刚刚讨论过的计量学和量子计算机,以及量子通信。后者利用了在遥远和纠缠的系统上进行测量的相关性。想象一下,两个遥远的玩家各自掷骰子:结果是随机的,但对于两个人总是一样。可以利用这种非本地机会来传输防篡改的加密密钥(请参阅A. Ekert,第40页,参见《隐私的监护人》)。该原则已经得到实施,并已在几十公里的距离内证明了其有效性。

这第二次革命有一个概念方面-纠缠和叠加的利用-和一个实践方面。它需要知道如何隔离量子系统(原子,光子...)并分别进行测量。有了激光,超导性和所有这些工具,这才成为可能,这是第一次量子革命的成果。因此,这两个革命是紧密联系在一起的。

第一次革命教给我们一个教训。该理论的创始者,爱因斯坦,玻尔或薛定,,是出于好奇心的驱使,着手从根本上理解微观世界,而不宣布其发现将产生的应用。这些应用会使他们大为惊讶。发现核磁共振的物理学家不知道这将是非凡的医学成像工具的核心。irm。今天的情况是相似的:我们试图想象会发生什么,但是我们肯定会感到惊讶。我们这一代物理学家被寄予厚望。部分原因是需要为日益昂贵的研究寻找资金。其中一些承诺将会出现。毫无疑问,将会出现其他应用程序,甚至可能更加令人惊讶。第一次量子革命的历史告诉我们,应用的产生往往来自于各种基础研究所产生的技术,这些技术以无法预料的方式相互补充。

正是这种情况irm ?

是的,发现了 rmn (核磁共振)在1940年代无法想象irm因为当时没有电脑。但是,它们对于将射频信号转换为图像至关重要。另外,该技术所需的强力磁体尚未开发。我们今天使用的电子显微镜是由于另一种量子技术超导性而起作用。正是这三个要素的结合才使irm.

量子物理学也涉及到非常大的范围吗?

根据宇宙学家的说法,宇宙射线的强度或极化中的波动反映了宇宙大爆炸后约38万年之前宇宙早期存在的,物质和光分离之前的波动。引力波,L。Krauss着,第80页)。这些原始波动本质上是量子的。因此,即使是在宇宙尺度上,量子物理学对于理解物理学也是必不可少的。

仍在宇宙学层面上,原始引力波又如何呢?

2014年,一个团队声称发现了一个信号,该信号被解释为间接观察到原始引力波。该公告最终被拒绝。但是宇宙学模型预言了这些波的存在。研究仍在继续,因为他们的观察将是了解我们宇宙起源的关键之一。

但是,我相信,2016年最重要的物理学结果是首次检测到引力波(非原始波),其存在是由爱因斯坦1915年的广义相对论预测的。很少有人说,但是这一发现也是量子技术的胜利。现代重力天线是使用超稳定激光的干涉仪。这些设备是1880年代米歇尔森(Michelson)使用的历史干涉仪的现代版本,可证明光速与它在地球上的传播方向无关,爱因斯坦在1905年的理论中对此进行了解释。相对论。我们从原始的模型放在实验台上,到两个串联运行的超精密设备。原始设备由垂直臂组成,该臂测量与微米长度差相关的光相移,而现代重力天线的精确度则高出数百亿倍。激光在其中循环的臂长为4公里,而引力波的通过导致这些探测器的臂之间的长度差远小于原子核的直径!该波是由十亿年前的两个黑洞合并而成的。经历一百三十年 ixe 因此,它是同一个设备的极大改进版本,如今它证实了另一种爱因斯坦理论的基本预测。这一发现无疑将扰乱天体的天体物理学。 xie 世纪,通过打开一个新的观察视窗。

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