Hendelsene i minste målestokk har gigantiske konsekvenser. Og ingen vitenskapsfelt demonstrerer det bedre enn kvantefysikk, som utforsker den rare oppførselen til - for det meste - veldig små ting. I 2019 gikk kvanteeksperimenter til nye og enda fremmere steder, og praktisk kvanteberegning gikk stadig nærmere virkeligheten, til tross for noen kontroverser. Dette var de viktigste og overraskende kvantehendelsene i 2019.
Google hevder "kvanteoverlegenhet"
Hvis en kvantenyhet fra 2019 lager historiebøkene, vil det sannsynligvis være en stor kunngjøring som kom fra Google: Teknologiselskapet kunngjorde at det hadde oppnådd "kvanteoverlegenhet." Det er en fancy måte å si at Google hadde bygget en datamaskin som kunne utføre visse oppgaver raskere enn noen klassisk datamaskin kunne. (Kategorien klassiske datamaskiner inkluderer en hvilken som helst maskin som er avhengig av vanlige gamle 1 og 0-er, for eksempel enheten du bruker for å lese denne artikkelen.)
Googles påstand om kvanteoverlegenhet, hvis det blir utarbeidet, ville markere et bøyningspunkt i databehandlingshistorien. Kvantedatamaskiner er avhengige av merkelige småskala fysiske effekter som sammenfiltring, så vel som visse grunnleggende usikkerheter i nano-universet, for å utføre sine beregninger. I teorien gir kvaliteten disse maskinene visse fordeler i forhold til klassiske datamaskiner. De kan lett bryte klassiske krypteringsordninger, sende perfekt krypterte meldinger, kjøre noen simuleringer raskere enn klassiske datamaskiner kan og generelt løser harde problemer veldig enkelt. Vanskeligheten er at ingen noensinne har laget en kvantecomputer raskt nok til å dra nytte av de teoretiske fordelene - eller i det minste ingen hadde, før Googles bragd i år.
Ikke alle kjøper tech-selskapets overherredømme. Subhash Kak, en kvanteskeptiker og forsker ved Oklahoma State University, la ut flere av grunnene i denne artikkelen til Live Science.
Les mer om Googles oppnåelse av kvanteoverlegenhet.
Kilogrammet går kvantalt
Et annet kvantebleksepunkt i 2019 kom fra verden av vekter og tiltak. Standardkilogrammet, den fysiske gjenstanden som definerte masseenheten for alle målinger, hadde lenge vært en 130 år gammel platin-iridiumsylinder som veide 2,2 pund. og sitter i et rom i Frankrike. Det endret seg i år.
Den gamle kiloen var ganske bra, knapt skiftende masse gjennom flere tiår. Men den nye kiloen er perfekt: Basert på det grunnleggende forholdet mellom masse og energi, så vel som et undertrykk i oppførselen til energi i kvanteskala, kunne fysikere komme frem til en definisjon av kiloet som overhodet ikke vil endres mellom i år og slutten av universet.
Les mer om det perfekte kiloet.
Virkeligheten brøt litt
Et team av fysikere designet et kvanteeksperiment som viste at fakta faktisk endres avhengig av ditt perspektiv på situasjonen. Fysikere utførte en slags "myntkast" ved hjelp av fotoner i en liten kvantecomputer, og fant at resultatene var forskjellige på forskjellige detektorer, avhengig av deres perspektiver.
"Vi viser at i mikroverdenen til atomer og partikler som styres av kvantemekanikkens rare regler, har to forskjellige observatører rett til sine egne fakta," skrev eksperimentellene i en artikkel for Live Science. "Med andre ord, i henhold til vår beste teori om naturens byggesteiner, kan fakta faktisk være subjektive."
Les mer om mangelen på objektiv virkelighet.
Entanglement fikk sitt glamourskudd
For første gang laget fysikere et fotografi av fenomenet Albert Einstein beskrev som "nifs handling på avstand", der to partikler forblir fysisk knyttet til tross for at de er adskilt over avstander. Denne egenskapen i kvanteverdenen var lenge verifisert eksperimentelt, men dette var første gang noen fikk se den.
Les mer om det uforglemmelige bildet av sammenfiltring.
Noe stort gikk i flere retninger
På noen måter er det konseptuelle motsatt av sammenfiltring, kvantesuperposisjon muliggjort at et enkelt objekt kan være på to (eller flere) steder samtidig, en konsekvens av at materie eksisterer både som partikler og bølger. Dette oppnås vanligvis med bittesmå partikler som elektroner.
Men i et 2019-eksperiment klarte fysikere å trekke av superposisjonen i den største skalaen noensinne: ved å bruke hulking, 2000-atommolekyler fra den medisinske vitenskapens verden kjent som "oligo-tetrafenylporfyriner beriket med fluoroalkylsulfanylkjeder."
Les om makroskala oppnåelse av superposisjon.
Varme krysset vakuumet
Under normale omstendigheter kan varme krysse et vakuum på bare en måte: i form av stråling. (Det er det du føler når solstrålene krysser plass for å slå i ansiktet på en sommerdag.) Ellers, i vanlige fysiske modeller, beveger varmen seg på to måter: For det første kan energiserte partikler slå inn i andre partikler og overføre energien deres . (Pakk hendene rundt en varm kopp te for å føle denne effekten.) For det andre kan en varm væske fortrenge en kaldere væske. (Det er det som skjer når du slår på ovnen i bilen og oversvømmer interiøret med varm luft.) Så uten stråling kan varme ikke krysse et vakuum.
Men kvantefysikk bryter som vanlig reglene. I et eksperiment i 2019 utnyttet fysikere det faktum at i kvanteskalaen ikke er vakuum virkelig tomt. I stedet er de fulle av bittesmå tilfeldige svingninger som dukker inn og ut av eksistensen. I en liten nok skala, fant forskerne, kan varme krysse et vakuum ved å hoppe fra en svingning til den neste over det tilsynelatende tomme rommet.
Les mer om varme som hopper over kvantevakuumet i rommet.
Årsak og virkning kan ha gått bakover
Dette neste funnet er langt fra et eksperimentelt bekreftet funn, og det er til og med langt utenfor riket til tradisjonell kvantefysikk. Men forskere som arbeider med kvantetyngdekraft - en teoretisk konstruksjon designet for å forene verdens kvantemekanikk og Einsteins generelle relativitet - viste at en hendelse under visse omstendigheter kan forårsake en effekt som skjedde tidligere i tid.
Visse veldig tunge gjenstander kan påvirke strømmen av tid i deres umiddelbare nærhet på grunn av generell relativitet. Vi vet at dette stemmer. Og kvantesuperposisjon dikterer at objekter kan være flere steder samtidig. Sett en veldig tung gjenstand (som en stor planet) i en tilstand av kvantesuperposisjon, skrev forskerne, og du kan utforme oddballscenarier der årsak og virkning finner sted i feil rekkefølge.
Les mer om omvendt årsak og virkning.
Kvantetunneling sprakk
Fysikere har lenge visst om en merkelig effekt kjent som "kvantetunneling", der partikler ser ut til å passere gjennom tilsynelatende ubrukelige barrierer. Det er ikke fordi de er så små at de finner hull. I 2019 viste et eksperiment hvordan dette virkelig skjer.
Kvantefysikk sier at partikler også er bølger, og du kan tenke på disse bølgene som sannsynlighetsframskrivninger for plasseringen av partikkelen. Men de er fremdeles bølger. Smash en bølge mot en barriere i havet, og den vil miste litt energi, men en mindre bølge vil vises på den andre siden. En lignende effekt forekommer i kvanteverdenen, fant forskerne. Og så lenge det er litt sannsynlighetsbølge igjen på bortre side av barrieren, har partikkelen en sjanse til å få den gjennom hindringen, og tunneler gjennom et rom der det ser ut til at den ikke skal passe.
Les mer om den fantastiske kvantetunnelleringseffekten.
Metallisk hydrogen kan ha dukket opp på jorden
Dette var et stort år for fysikk med ekstremt høyt trykk. Og en av de dristigste påstandene kom fra et fransk laboratorium, som kunngjorde at det hadde skapt et hellig gralstoff for materialvitenskap: metallisk hydrogen. Under høyt nok trykk, slik som de som antas å eksistere i kjernen av Jupiter, antas en-protonhydrogenatomer å virke som et alkalimetall. Men ingen hadde noen gang klart å generere trykk høyt nok til å demonstrere effekten i et laboratorium før. I år sa teamet at de hadde sett det på 425 gigapascals (4,2 millioner ganger Jordens atmosfæriske trykk på havnivå). Imidlertid kjøper ikke alle kravene.
Les mer om metallisk hydrogen.
Vi så kvanteskildpadden
Zap en masse superkjølte atomer med magnetfelt, og du vil se "kvantefyrverkeri": Atomer jetfly skyter av i tilsynelatende tilfeldige retninger. Forskere mistenkte at det kan være et mønster i fyrverkeriet, men det var ikke åpenbart bare å se. Men ved hjelp av en datamaskin oppdaget forskere en form for fyrverkerieffekten: en kvanteskildpadde. Ingen er ennå sikre på hvorfor det tar den formen.
Les mer om kvanteskilpadden.
En liten kvantecomputer vendte tilbake tiden
Tiden er ment å bevege seg bare i én retning: fremover. Søl litt melk på bakken, og det er ingen måte å tørke skitten perfekt ut og føre den samme rene melken tilbake i koppen. En spredning av kvantebølgefunksjonen spres ikke.
Bortsett fra i dette tilfellet, gjorde det det. Ved hjelp av en bitteliten kvantumcomputer med to kvbit, var fysikere i stand til å skrive en algoritme som kunne returnere alle bølger av bølgen til partikkelen som skapte den - avvikling av hendelsen og effektivt slå tilbake pilen av tid.
Les mer om å reversere tidens pil.
En annen kvantecomputer så 16 futures
Et fint trekk ved kvantecomputere, som er avhengige av superposisjoner i stedet for 1s og 0s, er deres evne til å spille ut flere beregninger samtidig. Den fordelen er på full skjerm i en ny kvanteprediksjonsmotor utviklet i 2019. Ved å simulere en serie koblede hendelser, kunne forskerne bak motoren kode 16 mulige futures til en enkelt foton i motoren. Nå er det multitasking!
Les mer om de 16 mulige futures.
