Gli eventi su scala più piccola hanno conseguenze gigantesche. E nessun campo scientifico lo dimostra meglio della fisica quantistica, che esplora gli strani comportamenti di - per lo più - cose molto piccole. Nel 2019, gli esperimenti quantistici sono andati in posti nuovi e persino più strani e il calcolo quantistico pratico si è avvicinato sempre di più alla realtà, nonostante alcune controversie. Questi sono stati gli eventi quantistici più importanti e sorprendenti del 2019.
Google afferma "supremazia quantistica"
Se un articolo di notizie quantistiche del 2019 pubblicherà i libri di storia, probabilmente sarà un grande annuncio che è arrivato da Google: la società tecnologica ha annunciato di aver raggiunto la "supremazia quantistica". È un modo stravagante per dire che Google ha realizzato un computer in grado di eseguire determinate attività più velocemente di quanto non possa fare un computer classico. (La categoria dei computer classici include qualsiasi macchina che si basa sui vecchi 1 e 0 normali, come il dispositivo che stai utilizzando per leggere questo articolo.)
L'affermazione della supremazia quantistica di Google, se confermata, segnerebbe un punto di svolta nella storia dell'informatica. I computer quantistici si basano su strani effetti fisici su piccola scala come l'entanglement, nonché alcune incertezze di base nel nano-universo, per eseguire i loro calcoli. In teoria, questa qualità offre a queste macchine alcuni vantaggi rispetto ai computer classici. Possono facilmente rompere gli schemi di crittografia classici, inviare messaggi perfettamente crittografati, eseguire alcune simulazioni più velocemente dei computer classici e in genere risolvere molto facilmente problemi difficili. La difficoltà è che nessuno ha mai realizzato un computer quantistico abbastanza in fretta da trarre vantaggio da quei vantaggi teorici - o almeno nessuno ha avuto, fino all'impresa di Google quest'anno.
Tuttavia, non tutti acquistano l'affermazione di supremazia dell'azienda tecnologica. Subhash Kak, uno scettico quantico e ricercatore presso la Oklahoma State University, ha esposto molte delle ragioni di questo articolo per Live Science.
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Il chilogrammo diventa quantico
Un altro punto di flesso quantistico del 2019 è venuto dal mondo dei pesi e delle misure. Il chilogrammo standard, l'oggetto fisico che definiva l'unità di massa per tutte le misurazioni, era da tempo un cilindro di platino-iridio di 130 anni che pesava 2,2 libbre. e seduto in una stanza in Francia. È cambiato quest'anno.
Il vecchio chilo era abbastanza buono, a mala pena cambiare massa nel corso dei decenni. Ma il nuovo chilo è perfetto: in base alla relazione fondamentale tra massa ed energia, oltre a una stranezza nel comportamento dell'energia su scala quantistica, i fisici sono stati in grado di arrivare a una definizione del chilogrammo che non cambierà affatto tra quest'anno e la fine dell'universo.
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La realtà si è rotta un po '
Un team di fisici ha progettato un esperimento quantistico che ha dimostrato che i fatti in realtà cambiano in base alla tua prospettiva sulla situazione. I fisici eseguivano una sorta di "lancio di monete" usando i fotoni in un minuscolo computer quantistico, scoprendo che i risultati erano diversi su rivelatori diversi, a seconda delle loro prospettive.
"Mostriamo che, nel micro-mondo di atomi e particelle che è governato dalle strane regole della meccanica quantistica, due diversi osservatori hanno diritto ai propri fatti", hanno scritto gli sperimentatori in un articolo per Live Science. "In altre parole, secondo la nostra migliore teoria dei mattoni della natura stessa, i fatti possono effettivamente essere soggettivi".
Maggiori informazioni sulla mancanza di realtà oggettiva.
Entanglement ha ottenuto il suo scatto glamour
Per la prima volta, i fisici hanno fatto una fotografia del fenomeno che Albert Einstein ha descritto come "azione spettrale a distanza", in cui due particelle rimangono fisicamente collegate nonostante siano separate su distanze. Questa caratteristica del mondo quantistico era stata a lungo sperimentalmente verificata, ma era la prima volta che qualcuno la vedeva.
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Qualcosa di grosso è andato in più direzioni
In un certo senso l'opposto concettuale dell'entanglement, la sovrapposizione quantistica consente a un singolo oggetto di trovarsi in due (o più) luoghi contemporaneamente, una conseguenza della materia esistente sia come particelle che come onde. In genere, ciò si ottiene con particelle piccole come gli elettroni.
Ma in un esperimento del 2019, i fisici sono riusciti a realizzare la sovrapposizione su larga scala di sempre: utilizzando enormi molecole di 2.000 atomi dal mondo della scienza medica conosciute come "oligo-tetrafenilporfirine arricchite con catene fluoroalchilsulfanil".
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Il calore attraversò il vuoto
In circostanze normali, il calore può attraversare un vuoto in un solo modo: sotto forma di radiazione. (È quello che senti quando i raggi del sole attraversano lo spazio per battere il viso in una giornata estiva.) Altrimenti, nei modelli fisici standard, il calore si muove in due modi: in primo luogo, le particelle energizzate possono colpire altre particelle e trasferire la loro energia . (Avvolgi le mani attorno a una tazza di tè calda per avvertire questo effetto.) In secondo luogo, un fluido caldo può sostituire un fluido più freddo. (È quello che succede quando accendi il riscaldamento della tua auto, inondando l'interno di aria calda.) Quindi, senza radiazioni, il calore non può attraversare il vuoto.
Ma la fisica quantistica, come al solito, infrange le regole. In un esperimento del 2019, i fisici hanno approfittato del fatto che su scala quantistica, i vuoti non sono veramente vuoti. Al contrario, sono pieni di piccole fluttuazioni casuali che si manifestano dentro e fuori dall'esistenza. Su una scala abbastanza piccola, i ricercatori hanno scoperto che il calore può attraversare un vuoto saltando da una fluttuazione alla successiva attraverso lo spazio apparentemente vuoto.
Maggiori informazioni sul salto di calore attraverso il vuoto quantico dello spazio.
Causa ed effetto potrebbero essere andati indietro
La prossima scoperta è ben lungi dall'essere una scoperta verificata sperimentalmente ed è persino ben al di fuori del regno della fisica quantistica tradizionale. Ma i ricercatori che lavorano con la gravità quantistica - un costrutto teorico progettato per unificare i mondi della meccanica quantistica e la relatività generale di Einstein - hanno dimostrato che in determinate circostanze un evento potrebbe causare un effetto che si è verificato prima nel tempo.
Alcuni oggetti molto pesanti possono influenzare il flusso del tempo nelle loro immediate vicinanze a causa della relatività generale. Sappiamo che è vero. E la sovrapposizione quantistica impone che gli oggetti possano trovarsi in più punti contemporaneamente. Metti un oggetto molto pesante (come un grande pianeta) in uno stato di sovrapposizione quantistica, hanno scritto i ricercatori, e puoi progettare scenari strani in cui causa ed effetto si svolgono nell'ordine sbagliato.
Maggiori informazioni sull'inversione di causa ed effetto.
Tunnel quantistico incrinato
I fisici conoscono da tempo uno strano effetto noto come "tunnel quantico", in cui le particelle sembrano attraversare barriere apparentemente invalicabili. Non è perché sono così piccoli che trovano buchi, però. Nel 2019, un esperimento ha mostrato come ciò avvenga davvero.
La fisica quantistica afferma che anche le particelle sono onde, e puoi pensare a quelle onde come proiezioni di probabilità per la posizione della particella. Ma sono ancora onde. Distruggi un'onda contro una barriera nell'oceano e perderà un po 'di energia, ma dall'altra parte apparirà un'onda più piccola. Un effetto simile si verifica nel mondo quantistico, i ricercatori hanno scoperto. E fintanto che c'è un po 'di onda di probabilità rimasta sul lato opposto della barriera, la particella ha la possibilità di superare l'ostruzione, scavando un tunnel attraverso uno spazio dove sembra che non dovrebbe adattarsi.
Scopri di più sull'incredibile effetto di tunneling quantistico.
L'idrogeno metallico potrebbe essere apparso sulla Terra
Questo è stato un grande anno per la fisica ad altissima pressione. E una delle affermazioni più audaci proveniva da un laboratorio francese, che annunciava di aver creato una sostanza sacra per la scienza dei materiali: l'idrogeno metallico. Sotto pressioni abbastanza elevate, come quelle che si ritiene esistano nel nucleo di Giove, si ritiene che gli atomi di idrogeno a singolo protone fungano da metallo alcalino. Ma nessuno era mai riuscito a generare pressioni abbastanza elevate da dimostrare l'effetto in un laboratorio prima. Quest'anno, il team ha affermato di averlo visto a 425 gigapascals (4,2 milioni di volte la pressione atmosferica della Terra a livello del mare). Tuttavia, non tutti acquistano tale affermazione.
Maggiori informazioni sull'idrogeno metallico.
Abbiamo visto la tartaruga quantistica
Zap una massa di atomi super-raffreddati con un campo magnetico e vedrai "fuochi d'artificio quantici": getti di atomi che esplodono in direzioni apparentemente casuali. I ricercatori sospettavano che ci potesse essere uno schema nei fuochi d'artificio, ma non era ovvio solo dallo sguardo. Con l'aiuto di un computer, tuttavia, i ricercatori hanno scoperto una forma per l'effetto dei fuochi d'artificio: una tartaruga quantistica. Nessuno è ancora sicuro del perché prende quella forma, comunque.
Maggiori informazioni sulla tartaruga quantistica.
Un piccolo computer quantistico è tornato indietro nel tempo
Il tempo dovrebbe muoversi in una sola direzione: avanti. Versa del latte a terra e non c'è modo di asciugare perfettamente lo sporco e riportare lo stesso latte pulito nella tazza. Una funzione di diffusione dell'onda quantistica non si spiega.
Tranne che in questo caso, lo ha fatto. Utilizzando un piccolo computer quantistico a due qubit, i fisici sono stati in grado di scrivere un algoritmo in grado di riportare ogni ondulazione di un'onda alla particella che lo ha creato, svolgendo l'evento e ruotando efficacemente la freccia del tempo.
Maggiori informazioni sulla freccia del tempo di inversione.
Un altro computer quantistico ha visto 16 futuri
Una bella caratteristica dei computer quantistici, che si basano su sovrapposizioni anziché su 1 e 0, è la loro capacità di eseguire più calcoli contemporaneamente. Tale vantaggio è pienamente visibile in un nuovo motore di previsione quantistica sviluppato nel 2019. Simulando una serie di eventi collegati, i ricercatori dietro il motore sono stati in grado di codificare 16 possibili futuri in un singolo fotone nel loro motore. Questo è multitasking!
Maggiori informazioni sui 16 possibili futuri.
