Fizyka kwantowa.

FIZYKA KWANTOWA to szeroko zakrojone wprowadzenie do tego niemal wszechobecnego tematu. Michael G. Raymer umiejętnie pokazuje, że fizyka kwantowa jest fascynująca i przydatna, wyjaśniając przy tym, dlaczego tak się dzieje. Obok podstawowych zagadnień mechaniki kwantowej wyjaśnia tu takie kwestie jak np. splątanie kwantowe czy kryptografia, ale także dlaczego rządy na całym świecie wydają miliardy dolarów na rozwój badań nad technologią kwantową. Lista tematów poruszonych przez Raymera jest zróżnicowana i pokazuje szeroki zakres pytań i pomysłów, w które zaangażowana jest fizyka kwantowa – od takich zastosowań jak szyfrowanie danych i obliczenia kwantowe, po takie zasady i koncepcje jak „kwantowa nielokalność” i zasada nieoznaczoności Heisenberga. Ta fascynująca książka jest bardzo przystępną lekturą dla wszystkich.

Przedmowa Autora XV Podziękowania od Autora XIX Notatka skierowana do ekspertów fizyki XXI 1. Fizyka kwantowa 1 Czym jest fizyka kwantowa? 1 W jaki sposób fizyka kwantowa wpływa na życie codzienne? 3 Czym jest teoria fizyki i jaki jest jej plan badań? 4 Dlaczego w fizyce często używamy słowa „model”? 5 Dlaczego rok 2015 był szczególnie dobry dla fizyki kwantowej? 6 Dlaczego niektóre obiekty są dobrze opisane za pomocą klasycznych modeli fizycznych, podczas gdy inne wymagają opisu fizyki klasycznej? 8 Co tworzy świat fizyczny? 9 Czym rożni się światło w opisie klasycznym i kwantowym? 11 Co wynika z detekcji pojedynczych cząstek światła? 12 Czy możliwe jest utworzenie i wykrycie dokładnie jednego fotonu? 14 Jak doszło do odkrycia fizyki kwantowej? 16 Czy pola elektromagnetyczne mają naturę kwantową? 18 Dodatkowa lektura 21 Przypisy 21 2. Pomiary kwantowe i ich konsekwencje 23 Czym jest pomiar w fizyce klasycznej? 23 Co to jest polaryzacja światła? 24 Jak określić lub zmierzyć polaryzację światła? 25 Co się dzieje, gdy światło zawiera mieszankę rożnych polaryzacji? 28 Co będzie, gdy światło jest spolaryzowane, ale w innym kierunku niż H i V? 29 Jaka fizyka kryje się za wynikami pomiarów tak spolaryzowanego światła? 31 Czym jest spójność (koherencja) i jaką pełni rolę? 32 Czy można zmierzyć polaryzację pojedynczego fotonu? 34 W jaki sposób wytworzyć foton o określonej polaryzacji? 36 Czy pomiar kwantowy pozwala określić polaryzację pojedynczego fotonu? 36 Jaka jest różnica pomiędzy klasycznym a kwantowym podejściem do opisu polaryzacji? 36 Jak wyznaczamy prawdopodobieństwa uzyskania danej polaryzacji fotonu? 37 Zmierzyć polaryzację kwantową – co to oznacza? 41 Co oznacza wykonanie pomiaru w sensie kwantowym? 42 Jak to możliwe, że obiekt o skali wielkości człowieka zdaje się mieć określone właściwości, chociaż poszczególne kwantowe składniki tego obiektu ich nie mają? 43 Co powinniśmy rozumieć pod pojęciem „stan danego obiektu”? 44 Co to jest stan kwantowy? 45 Czy Bob może eksperymentalnie określić stan kwantowy wytworzony przez Alicję? 47 Czy Bob może sklonować, to jest wykonać kopię stanu pojedynczego fotonu? 48 Co to jest spójność kwantowa? 49 Jakie są zasady przewodnie mechaniki kwantowej? 50 Co tak naprawdę opisuje mechanika kwantowa? 52 Przypisy 52 3. Kwantowe szyfrowanie danych – zastosowanie fizyki kwantowej 53 Czy fizykę kwantową można wykorzystać do stworzenia całkowicie bezpiecznej komunikacji internetowej? 53 W jaki sposób szyfrowanie (kryptografia) zachowuje wiadomość w tajemnicy? 53 Czy większość metod szyfrowania można złamać? 54 Czy istnieje jakaś metoda szyfrowania, której złamać nie można? 56 W jaki sposób tekst reprezentowany jest za pomocą symboli binarnych (dwójek)? 57 W jaki sposób wiadomość tekstowa jest szyfrowana i deszyfrowana za pomocą klucza binarnego? 57 Jak można wykorzystać polaryzację fotonów do tworzenia bezpiecznych kluczy szyfrujących? 58 Jakie zasady fizyki leżą u podstaw kwantowej dystrybucji klucza? 59 Jak działa kwantowa dystrybucja klucza? 61 Co się stanie, jeśli jest podsłuch? 64 Jak Alicja i Bob mogą wykryć obecność Ewy? 65 A co jeśli Ewa jest zawsze obecna? 66 Czy Ewa mogłaby obmyślić inne, lepsze sposoby podsłuchiwania? 68 Jaki jest aktualny stan możliwości dystrybucji klucza kwantowego? 69 Dodatkowa lektura 69 Przypisy 69 4. Zachowanie kwantowe i jego opis 71 Jak zachowują się obiekty kwantowe przy braku pomiaru? 71 Czym rożni się zachowanie elektronów i kulek do gry flipper? 72 Dlaczego elektron zawsze kieruje się w stronę kozy? 73 Co się stanie, jeśli zmodyfikujemy konfigurację układu? 75 A co stanie się, jeśli zablokujemy jedną ścieżkę? 76 Co możemy stwierdzić do tej pory? 76 Czy możemy prześledzić drogę, którą przemieszcza się elektron? 77 Dlaczego to samo rozumowanie nie może być stosowane w odniesieniu do kulki flippera? 79 Co to jest proces unitarny? 79 Jakie inne przykłady procesów unitarnych ilustrują główne punkty? 81 Jakie są dodatkowe konsekwencje tego, że proces jest unitarny? 82 Czy materia może zachowywać się tak samo jak fotony w eksperymencie dwuścieżkowym? 84 Czy foton może niekiedy zachowywać się zgodnie z klasycznym prawdopodobieństwem? 86 Jak zebrać poprzednie rozważania w zasadę fizyki? 87 Czym jest pomiar w fizyce kwantowej? 88 Czy obiekt kwantowy może istnieć w dwóch miejscach jednocześnie? 88 W jaki sposób kwantowa dystrybucja klucza wykorzystuje procesy unitarne? 89 W jaki sposób teoria kwantowa opisuje stany, dla których możliwe są tylko dwie możliwości? 90 W jaki sposób teoria kwantowa opisuje elektron realizujący dwie możliwe ścieżki? 90 Czy stan dla obiektów makroskopowych można przedstawić za pomocą strzałek? 92 Jak wynik prawdopodobieństwa nawiązuje do możliwości? 93 W jaki sposób elektron może zrealizować dwie ścieżki? 94 Jak użyć strzałki stanu do wyznaczania prawdopodobieństw, gdy występuje inferencja ścieżki? 95 Co się stanie, jeśli zmienimy jedną ze ścieżek? 97 Jak możemy zebrać przedstawione idee w Zasadę Przewodnią? 97 Co się wydarzy, jeśli jeszcze bardziej zmienimy długość ścieżki? 98 Czy z tego eksperymentu wynika jakaś ogólna zasada? 101 Jakie są najważniejsze przesłania z tego rozdziału? 103 Przypisy 105 5. Pomiar grawitacji za pomocą opisów interferencji kwantowej – zastosowanie fizyki kwantowej 107 Na czym polega technologia sensorów? 107 Dlaczego pomiar siły grawitacji jest potrzebny? 108 Jak można wykorzystać fizykę kwantową do pomiaru grawitacji? 109 Czym ten interferometr rożni się od omawianego w poprzednim rozdziale? 112 Czy ten sensor jest użyteczny do pomiaru grawitacji? 112 6. Możliwości kwantowe i fale 113 Jak pojęcie fal znalazło się w teorii kwantowej? 113 Czym są fale? 114 Co to jest interferencja fal? 116 Czym są kwantowe fale możliwości? 117 W jaki sposób fala psi śledzi swój wewnętrzny czas? 118 Co wyznacza czas cyklu lub częstotliwość tykania wewnętrznego zegara cząstki? 119 Jak możemy zebrać przedstawione idee w kolejną zasadę przewodnią? 121 Czym jest pęd i co może go zmienić? 122 Co to jest energia? 123 Jak równanie Schrödingera opisuje obiekty kwantowe poruszające się w przestrzeni? 125 Jaki jest związek pomiędzy falą kwantową i prawdopodobieństwem? 126 Jaki jest przykład równania Schrödingera w działaniu? 127 W jaki sposób cząstka kwantowa przechodzi przez miejsca określone zerowym prawdopodobieństwem? 129 Na czym polega zasada nieoznaczoności Heisenberga? 130 Czy poprawne jest stwierdzenie, że elektron jest zarówno cząstką, jak i falą? 132 Przypisy 133 7. Kamienie milowe i dalsze rozdroża 135 Jakie aspekty fizyki kwantowej poznaliśmy do tej pory i jakie tematy powinniśmy omówić jako następne? 135 Jakie kamienie milowe już osiągnęliśmy? 136 Przypisy 141 8. Testy Bella i załamanie lokalnego realizmu 143 Czy eksperymenty mogą zbadać istotę realności? 143 Czym jest korelacja i co nam mówi? 144 Jaki jest przykład skorelowanych właściwości? 145 Jaki jest przykład skorelowanych zachowań? 146 Jak można ilościowo określić korelacje? 147 Jaka jest różnica między korelacją klasyczną a korelacją kwantową? 151 Czym jest realizm i jak możemy go przetestować eksperymentalnie? 152 Przygotowanie do eksperymentalnych testów nad realizmem 153 Co jeśli możemy dokonać tylko częściowych pomiarów? 156 Co uniemożliwia komunikację pomiędzy obiema stronami eksperymentu? 159 Co to jest realizm lokalny? 161 Jakiego rodzaju eksperymenty mogą położyć kres lokalnemu realizmowi? 161 Czy wszystkie stany światła emitowane przez atomy dadzą ten sam rezultat? 168 Czy w naszej argumentacji mogą być wady lub luki? 169 Jakie eksperymenty przezwyciężyły potencjalne wady? 170 Jak możemy mieć pewność, że ustawienia w pomiarze są niezależne? 171 Co John Bell sądził o wynikach takich eksperymentów? 172 Czy załamanie lokalnego realizmu oznacza, że musimy całkowicie porzucić klasyczną intuicję i klasyczną fizykę? 173 Czy powinniśmy odrzucić koncepcje lokalnej przyczynowości, lokalnego realizmu, a może jedno i drugie? 174 Przypisy 174 9. Splątanie kwantowe i teleportacja 177 Co to jest splątanie kwantowe? 177 Jak opisujemy stan obiektu złożonego? 178 Jak opisujemy stan splątany pary fotonów? 180 Jak możemy stworzyć stan Bella dla pary fotonów? 181 W jaki sposób splątany stan Bella narusza lokalny realizm? 183 Co możemy wiedzieć o składnikach złożonego obiektu kwantowego? 184 Co oznacza w praktyce „wiedzieć wszystko, co tylko można” o złożonym obiekcie kwantowym? 185 Co możemy osiągnąć dzięki splątaniu, a czego nie moglibyśmy osiągnąć bez niego? 187 W jaki sposób splątanie umożliwia teleportację stanu kwantowego? 188 Czy to, co dzieje się po stronie Alicji, wpływa na to, co dzieje się po stronie Boba? 191 Czy teleportacja kwantowa jest natychmiastowa? 192 Czy można teleportować człowieka? 192 Do czego przydaje się teleportacja w stanie kwantowym? 193 Przypisy 194 10. Zastosowanie obliczeń kwantowych 195 Czy informacja jest fizyczna? 195 Czym jest komputer? 196 Jak działają komputery? 197 Jak mała może być pojedyncza bramka logiczna? 200 Czy możemy stworzyć komputery, które wykorzystają kwantowe właściwości? 201 Co to jest kubit? 202 Jakie zasady fizyczne wyróżniają komputery klasyczne i kwantowe? 203 Jakich bramek logicznych używałyby komputery kwantowe? 204 Jak miałyby działać komputery kwantowe? 208 Dlaczego rozkład liczb na czynniki pierwsze (faktoryzacja) jest trudny? 210 W jaki sposób komputery kwantowe mogłyby rozwiązać problem faktoryzacji? 213 Jakie inne problemy informatyczne mógłby rozwiązać komputer kwantowy? 215 Jakie problemy z fizyki i chemii mógłby rozwiązać komputer kwantowy? 216 Dlaczego komputery kwantowe są tak trudne do wyprodukowania? 219 Jakie są perspektywy budowy komputerów kwantowych? 221 Jakie są obiecujące podejścia do budowania komputerów kwantowych? 221 Przydatna literatura 223 Przypisy 223 11. Kwantyzacja energii i atomy 225 Czym jest kwantyzacja energii w mechanice kwantowej? 225 Dlaczego energia jest skwantowana, gdy cząstka jest uwięziona? 226 Jak jest skwantowana energia elektronu w atomie? 228 Dlaczego elektron nie spoczywa w najniższym punkcie doliny energii? 230 Jak atom absorbuje światło? 231 Jak atom emituje światło? 234 Co stało się z klasyczną ideą fizyki, w której elektron w atomie krąży wokół jądra? 235 Jak w trzech wymiarach wyglądają fale psi opisujące elektrony? 236 Przypisy 237 12. Zastosowanie technologii kwantowej: definiowanie czasu, wykrywanie ruchu i grawitacji 239 Czym są technologie wykrywania oparte na fizyce kwantowej? 239 Jaka jest naukowa definicja czasu? 240 Co to jest zegar? 241 Jak możemy sprawić, by zegary były identyczne? 242 Dlaczego elementarne obiekty kwantowe tworzą najdoskonalsze zegary? 243 Dlaczego dobre zegary są ważne technologicznie? 243 Jak dokładne są współczesne zegary atomowe? 244 Jak działają podstawowe zegary atomowe? 245 Jak działają najbardziej zaawansowane zegary atomowe? 247 Czym są czujniki inercyjne? 250 Co to jest akcelerometr? 250 Jak działają typowe akcelerometry? 251 Do czego służą akcelerometry? 252 Co to są grawimetry i do czego służą? 253 Jak działają typowe grawimetry? 253 Jak działa podstawowy grawimetr kwantowy? 254 Jak działają zaawansowane grawimetry kwantowe? 255 Czy interferometry atomowe mogą wykryć fale grawitacyjne? 258 Przypisy 260 13. Pola kwantowe i ich wzbudzenia 261 Czym są klasyczne cząstki i klasyczne pola? 261 Jaka zasada fizyki kwantowej łączy pojęcia cząstek i pól? 263 Co się stanie, jeśli zmierzymy pole kwantowe? 265 Jak stosować do światła kwantową teorię sieci? 267 Czym jest pole kwantowe? 268 Czym jest foton? 269 Czy cząstki i pola to dwa aspekty jednego pojęcia? 270 Czy unifikacja pól i cząstek dotyczy także elektronów? 270 Dlaczego nie widzimy pojawiania się i znikania zwykłych obiektów? 272 Z czego zbudowany jest wszechświat? 272 Czym jest próżnia kwantowa? 273 Jak cząstki elementarne uzyskały swoją masę? 275 Jakie jeszcze fakty przemawiają za istnieniem pól kwantowych? 276 Czy wiedza o teorii pól kwantowych pozwala zrozumieć tajemnicze korelacje Bella? 278 Czy wiedza o teorii pól kwantowych pozwala zrozumieć tajemnicę pomiarów kwantowych? 279 Dlaczego dyskusję na temat pól kwantowych przełożono na koniec tej książki? 280 Przypisy 280 14. Przyszłe kierunki i pozostałe pytania dotyczące teorii kwantowej 281 Co jest potrzebne, aby osiągnąć dalszy postęp? 281 Czego nie wiemy o technologii kwantowej? 283 Czego nie wiemy o fizyce kwantowej? 284 Co wiemy o kwantowych aspektach natury? 284 Czym różnią się klasyczny i kwantowy opis natury? 286 Jakie wyzwania pozostają, by zrozumieć teorię kwantową? 286 Na czym polega kwantowy problem z pomiarem? 287 Jak można zresetować stan splątany? 289 Czy pogląd Heisenberga rozwiązuje problem pomiaru? 291 Jak dekoherencja może pomoc? 294 Czy dekoherencja jest wystarczająca? 295 Czy prawdopodobieństwo kwantowe jest sprawą ludzkiego mózgu? 296 Czy to wszystko jest w mojej głowie? 299 Koherencja na zawsze? 301 Dlaczego występują korelacje Bella? 305 Przypisy 307