Fyzici poprvé změřili geometrii elektronu, ve kvantové tečce  
Kvantové počítače by mohly využívat jako základní prvek pro práci s informací spin elektronu. Vlastnosti částice kvantového světa jsou ale velmi kluzké a je obtížné je změřit, natož s nimi nějak pracovat. Švýcarští fyzici proto museli kouzlit s kvantovými tečkami, do nichž je možné elektron zavřít jako brouka do lahvičky.

Elektron ve kvantové tečce ve švýcarském experimentu. Kredit: University of Basel, Departement of Physics.
Elektron ve kvantové tečce ve švýcarském experimentu. Kredit: University of Basel, Departement of Physics.

Částice jsou kvantové příšerky, o nichž některé normální věci jen sotva tušíme. Třeba to, jak vlastně vypadají. Fyzici švýcarské Universität Basel v Bazileji nedávno zjistili, jak vypadá jeden elektron ve kvantové tečce. Vyvinuli novou metodu, která jim umožnila s nesmírnou přesností zjistit pravděpodobnosti výskytu elektronu v prostoru. V budoucnu bude možné takový postup využít k vylepšení ovládání spinů elektronů, které by se mohly stát základním prvkem kvantových počítačů.

 

Dominik Zumbühl. Kredit: University of Basel.
Dominik Zumbühl. Kredit: University of Basel.

Spin elektronu je dnes slibným kandidátem na konstrukci qubitu pro kvantový počítač. Ovládání takového spinu je ale komplikované a dělá na tom řada výzkumných týmů po světě. Stabilita jednotlivých spinů a kvantové provázání, entanglement spinů, závisí mimo jiné i na geometrii elektronů. Až doposud přitom nikdo nedokázal geometrii elektronů experimentálně určit.

 

Dominik Zumbühl a Daniel Loss se svými kolegy vyvinuli postup, kterým je možné určit geometrii elektronu ve kvantové tečce. Dnes nesmírně populární kvantové tečky, čili polovodičové nanočástice s pozoruhodnými optickými a elektronickými vlastnostmi vlastně fungují jako pasti na elektrony. Kvantová tečka může uvěznit volné elektrony v prostoru, který je asi tisíckrát větší než běžný atom. Takto polapené elektrony se chovají podobě jako elektrony, které jsou součástí atomů. Proto se kvantovým tečkám někdy (poněkud nešťastně) přezdívá „umělé atomy“.


Daniel Loss. Kredit: University of Basel.
Daniel Loss. Kredit: University of Basel.

Elektrony drží v pasti kvantové tečky elektrická pole. Uvnitř pasti se elektrony pohybují a v různých místech se tam vyskytují podle jejich vlnové funkce. Švýcarští badatelé použili spektroskopická měření ke studiu energetických polí kvantových teček. Tímto způsobem je možné určit geometrické uspořádání elektronu s přesností na méně než 1 nanometr.

 

Zumbühl, Loss a spol. dokázali nejen zmapovat tvar a orientaci elektronu, ale také ovládat jeho vlnovou funkci prostřednictvím konfigurací elektrických polí. Toho bude možné využít k ovládání spinů elektronů v budoucí elektronice. Prostorová orientace elektronů hraje rovněž roli ve kvantovém provázání několika spinů elektronů. Pokud má dojít k úspěšnému entanglementu spinů elektronů, tak jejich vlnové funkce musejí být uspořádané v jedné rovině. Pozoruhodné kvantové počítače jsou zase o něco blíž.


Literatura
University of Basel 23. 5. 2019.

Datum: 25.05.2019
Tisk článku

Související články:

Švýcarští kvantoví mágové entanglovali 16 milionů atomů     Autor: Stanislav Mihulka (20.10.2017)
Fyzici roztančili atomy kvantových teček v jednotném kvantovém tanci     Autor: Stanislav Mihulka (22.02.2019)



Diskuze:

Děkuji Pavlovi Brožovi

Martin Kovar,2019-05-29 11:40:12

za upřesnění. Bohužel z nadpisu jsem vyrozuměl to, že se vědci pokusili určovat geometrii elektronu právě někde kolem 10^(-18) m. V článku jsou sice náznaky, že šlo spíše o vlnovou funkci / orbitaly, ale zřejmé to také nebylo.

Odpovědět

Vendula Fártyová,2019-05-26 23:06:04

Já jsem jen středoškolačka a nevadí mi že jsem trogloid. On by tam totiž musel patřit i vedoucí toho výzkumného kolektivu. Jak mi google translate potvrdil tak to popsal pro veřejnost úplně stejně (podle zdejších fyziků zavádějícím způsobem). Možná by mu měl někdo vysvětlit, ať to nedělá, že to končí zavíráním elektráren.

Odpovědět


Re:

Milan Krnic,2019-05-26 23:19:23

Myslím, že řeč byla v podtextu o iracionalitě (slovníkem zdejším debilitě), nikoli o jedinci.

Odpovědět

Dan Velinský,2019-05-26 02:47:53

Jedna věc je časopis pro fyziky a druhá pro běžné lidi. Jsem vysokoškolák s příodovědným zaměřením a přiznám se, že popis pomocí dvoudimenzionálních pastí, vlnové nulové funkce a manipulací elektronů v qubitech, mi moc neříká. Je dobře, že tu zazněl zpřesňující komentář, ale možná, že ti vedoucí týmů, panem Brožem tak zatracovaní za zjednodušování, vědí co dělají. Nás, které pan Brož řadí mezi debily, je snadné omračovat fyzikální hantýrkou. Napsat, že nešlo o určení geometrie elektronu a pak to zpřesnit na určení tvarů a orientace jim odpovídajících orbitalů elektronu, mi nepřipadá jako provinění zasluhující oznaření mystifikace. Spíš jako přijatelné zestručnění pro nás, panem Brožem pasované na trogloidy - debily odněkud z východu, kteří právě vylezl z jeskyně.

Odpovědět


Re:

Pavel Hudecek,2019-05-26 05:19:37

Vysvětlení pro přírodovědce:

Právě jste si přečetl článek, asi jako o změření geometrie nějaké bakterie žijící v octomilkách. Biologovi bude divné, že v článku se píše něco o velikosti v km. "To bude asi překlep, určitě to byly mikrometry." A potom tu pan Brož vysvětlil, že to není o bakterii, ale že změřili oblast ve velikém zkrachovalém sadu, kde nikdo nesklidil hrušky a teď všude leží na zemi a kvasí, v důsledku čehož tam octomilky dobrovolně setrvávají na základě gradientu koncentrace určitých organických kyselin ve vzduchu.

Odpovědět


Re: Re:

Jindra Toufarová,2019-05-26 06:17:35

Jestli ono to není tak trochu tím, že věda na obou koncích - živého i neživého pokročila natolik, že aby si oba konce porozuměly musí se i biologové uchylovat faulům, když chtějí napsat něco o Vámi zmíněné octomilce. Asi byste moc nebral text typu: "parsimon, podobně jako parafyly s mizernou podporou bootstrapu v jejich sousedství a malým počtem znaků v genu 28S podporují vztah k ananass podskupině.

Odpovědět


Re: Re: Re:

Jiri Naxera,2019-05-28 14:16:40

Tak třeba když zůstaneme zde na Oslu, tak takový pan Pazdera který jestli se nepletu je odborností biolog, píše velmi krásné články, které jsou přístupné i nám z neživé části spektra a neklame-li mě paměť, tak i když někde použije silné zjednodušení, tak v žádném případě nepoužije zavádějící informace.
Takže to jde.

Odpovědět


Re:

Milan Krnic,2019-05-26 09:27:47

Kde vás tak označil?
"kteří se k médiím vyjadřují tak, jako by v nich pracovali výhradně troglodyti"

Odpovědět


Re:

Pavel Brož,2019-05-26 12:38:12

Pane Velinský, nikoho za debily ani za trogloidy nepovažuji. Pouze říkám, že někteří výzkumníci zřejmě za ty troglodyty považují zástupce médií, se kterými komunikují, a že v důsledku toho se šíří nepravdy. Dokonce formálně vzato lži, protože ti, kteří je pouští do světa, si samozřejmě jsou dobře vědomi, že to pravdy nejsou. Důvod pro do světa pouštěná krajně zjednodušující vysvětlení je nasnadě - medializace příslušného objevu. Proti tomu jako takovému nelze nic namítat, pokud se to nedělá způsobem, kdy se přitom šíří nepravdy o jiném oboru.

Pokud se vrátím k tomu údajnému měření geometrie elektronu, tak podle veškerých dosavadních měření je elektron bodový s přesností lepší než 10^-18 metrů, což jsou výsledky získané ze statistik rozptylových vysokoenergetických srážkových experimentů prováděných v urychlovačích za desítky let jejich provozování. 10^-18 metrů je o osm až devět řádů méně, než s jakou přesností v tom švýcarském experimentu měřili nikoliv geometrii elektronu, ale geometrii elektronového orbitalu. Jinými slovy, s danou přesností měření nemohli autoři říct o geometrii elektronu zhola nic (což nepřekvapuje vzhledem k velikosti těch polovodičových struktur, které používali, které byly v řádu nanometrů). S danou přesností ale mohli říct hodně o tvaru těch elektronových orbitalů, a to není málo, to je totiž velice důležité, a také jsem vysvětlil proč.

Osel.cz je vědu popularizující server, který se snaží mj. přivádět ke vědě mladé lidi, čtou ho i teenageři se zájmem o vědu. Tito mladí lidé si kvůli zkreslením, která kritizuji, vytvoří zcela mylný obrázek o tom, jak vlastně co funguje a vypadá. Větu "vědci změřili geometrii elektronu" totiž vezmou doslova, ostatně, i mnozí dospělí to tak vezmou, když je to přece takto napsáno. Dříve nebo později ti mladí, nebo aspoň někteří z nich, dospějí k závěru, že je to zcela jinak. A nevytvoří to v nich dobrý obraz o vědě. Někteří z nich si udělají závěr typu "někteří vědci lžou", jiní dokonce jenom "vědci lžou". Ještě jiní si dokonce onu zkreslenou informaci podrží do konce života. Dá se to potom stále ještě nazývat popularizací vědy?

A to už vůbec nemluvím o dospělých se zájmem o vědu, klidně i odborníků z jiných oborů (třeba zrovna přírodovědců), kteří by se také rádi dozvěděli, na co se přišlo, ale kvůli takovým zkreslením nemají šanci, je to jako by si sedli k vědmě, která by jim na základě náhodně kombinovaných vědeckých termínů a s pomocí tvaru kávové sedliny vykládala vědecké novinky. Přesně toto kritizoval Richard Feynman, který tvrdil, že mezi čtenáři je dost lidí, kteří by si rádi udělali adekvátní obrázek toho, na co se přišlo, ale díky té mediálštině prostě nemají šanci.

Odpovědět


Re: Re:

Milan Krnic,2019-05-26 14:31:11

Je podstatný rozdíl, zda je elektron bodový nebo zda je elektron bodový na základě statistiky v rámci modelu. Ríšův přístup nám chybí, to je pravda.

Odpovědět


Re: Re: Re:

Marek Fucila,2019-05-27 02:17:56

Ja tomu rozumiem tak, že ak by sme do priestoru orbitálu pichali čarovnou ihlou, tak by sme v príslušných miestach elektrón "napichli" s pravdepodobnosťou, podľa vlnovej funkcie. Ak by sa ten hrot stále zaostroval, aj tak by sa nezmenilo to, že by sme ten elektrón trafili/netrafili štatisticky podľa predpovede.
Alternatívne by sme mohli celú oblasť fotiť magickým digitálnym fotoaparátom, a ten elektrón by bol na každej fotke v jedinom pixelu, nech by sme použili koľkokoľvek pixelový fotoaparát.
Lenže my nemáme čarovnú ihlu ani magický foťák a všetky metódy merania (napichávania/fotenia) ten elektrón nejako ovplyvnia. Preto sú všetky vlastnosti kvantových častíc výsledkom inetpretácie množstva meraní. Tie inerprerácie sú podla mňa, to, čo Vám vadí. Na druhej strane máte možnosť vysvetliť si merania po svojom...
Napríklad v experimente s magickým fotoaparátom by sa dali nafotiť tisícky záberov rôznych elektrónov v rôznych častiach orbitálu, ale nepodarilo by sa nafilmovať video jediného elektrónu. Ten elektrón by sa v prvom zábere objavil vo foťáku a už by v žiadnom ďalšom nebol.
Klasické vysvetlenie je, že sa vlnová funkcia zrútila, elektrón, ktorý bol dovtedy všade sa odhalil na konkrétnom mieste, a tým už o ňom nezistíme ďalšie vlastnosti, lebo sme merali jeho polohu. Ak by sme merali niečo iné, konkrétny elektrón by sa tým meraním tiež ovplyvnil/zničil a už nemáme ako v druhom kole odmerať jeho polohu. Tak zatiaľ rozumiem kvantovej neurčitosti.
Zjednodušený pohľad na elektrón ako na gulôčku, ktorá krúži v rámci orbitálu je údajne mylný. Predpokladám, že dôvodom bude práve tá pravdepodobnosť výskytu. Ak by bol elektrón pred meraním v ľubovoľnom konkrétnom mieste, zrejme by nemal dosť času doletieť tam, kde ho nameriame. Inak povedané, asi by sme ho častejšie netrafili ako trafili. Inak by musel vedieť, kde ho ideme hľadať, a možno by na presun potreboval aj nekonečnú rýchlosť.
Mne sa tiež nepáči predstava o bodovej častici, ktorá je s vysokou pravdepodobnosťou vo veľkom priestore, prakticky všade, kým sa ju nerozhodneme lokalizovať, a ona sa potom "zastaví" v konkrétnom bode (alebo ju tam nenájdeme - podľa pravdepodobnosti).
Moja interpretácia je naopak taká, že sa elektrón ako bod až do merania nikde nenachádza. Teda nie, že je všade, ale že nie je nikde. Že my ho tým meraním nezastavíme, my ho tam vytvoríme. Laicky povedané, elektrón ako častica neexistuje, kým ho nepotrebujeme. Pracovná analógia je, že elektrón ako častica je ako machuľa atramentu. Vlnová funkcia/orbitál je povedzme roztrasený hrniec plný atramentu. My vieme, že ak tesne nad hladinu atramentu priložíme pyjavý papier, tak sa v nejakom bode hladina dotkne papiera, a tam vznikne machuľa. Ale kým tam ten papier nedáme, nemá zmysel sa pýtať, kde sa práve atramentová machuľa nachádza. Všade alebo nikde. To je z tohto pohľadu ekvivalentné. Machuľu vytvárame a až keď atrament spotrebúvame. Z machľe už asi tiež nevyčítame, kam to tie molekuly mali namierené alebo iné vlastnosti, ktoré by sa prípadne na hladine dali sledovať, keby sme to kvantum nevysali.
Na analógii ešte musím popracovať, šlo ale o to ukázať, že možno otázky s divnými odpovaďami len nie sú správne položené otázky.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re:

Milan Krnic,2019-05-27 19:55:00

Nevadí mi žádná interpretace. Právě, že interpretace, např. tak, jak pěkně jste vysvětlil tu svou, je to, co by mě zajímalo.
Když např. když řekneme, že je elektron lapený v kvantové tečce, tak co to vlastně znamená.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re:

Karel Ralský,2019-05-28 00:04:33

Asi jste nejblíže i mé laické představě co si o elektronu, ale i o baryonové hmotě myslím taky já, jenže nemůžete chytit vlnu v prostoru(pokud ji nezastavíte ale pak již není vlnou ale energetickým "výbojem"), protože vlnu v rybníce také nemůžete chytit do prstů protože jsou funkcí("energií") prostoru v čase který je čtvrtým rozměrem, ještě když jsem chodil do knihoven(cca do patnácti let pak jme se přestěhovali) tak se mi nejvíce "líbily" Maxwelovy rovnice pro časově proměnné magnetické pole a Lorentzovy transformace(určení bodu v prostoru).

Odpovědět


Re: Re: Re:

Jiri Naxera,2019-05-28 14:25:43

Vypadá to jako kachna, kejhá to jako kachna, létá to jako kachna, žere to jako kachna, kálí to jako kachna, tak to asi bude kachna.

Tohle popírání čehokoli nedává žádný smysl. Buď přijďte s jiným modelem který lépe popisuje realitu, a pak klidně říkejte že je jsou to vibrace jednorozměrného supersymetrického stringu, nebo to řešte na semináři filosofie, ne fyziky. To byste klidně mohl popřít i existenci Slunce které ráno vychází na obloze (ve skutečnosti jediné co dokážete je excitace pár neuronů stejná jako kdyby to slunce existovalo. wait, jakých neuronů? S tímhle přístupem zpochybníte i Vaší existenci)

Odpovědět


Re: Re: Re: Re:

Milan Krnic,2019-05-28 16:05:46

Kde jste zaznamenal popírání?

Odpovědět


Re: Re:

Marek Fucila,2019-05-27 01:13:45

Ja som úplný laik, ale Vaše komentáre, pán Brož, vždy problematiku výborne vysvetlia. Osla sledujem dlhé roky práve preto, že tunajší autori témam rozumejú výrazne lepšie ako bežní novinári a obvykle sa do diskusií zapájajú odborníci. Predtým som zvykol sledovať veda.sme.sk, ale po čase ma to diletantstvo znechutilo. Keď človek sleduje fyziku aj ako laik, časom sa musí niečo málo naučiť. A to by sa očakávalo aj od novinárov, čo o fyzike píšu. Tam sa tak nedialo a zrejme len prekladali a metódou tichého telefónu dofarbovali cudzie články, ktorým vôbec nerozumeli. Ale aj tam bola diskusia a v nej naštastie odkaz na osla. :)

Mne sa tiež zdali nanometre a geometria častice divné. :) Chcem sa ale opýtať na ten spin. Súvisí nejako s orbitálom?

Odpovědět


Re: Re: Re:

Pavel Brož,2019-05-27 01:51:19

Dobrý den, ohledně souvislosti spinu a tvaru orbitalu, tam záleží na přesnosti toho přiblížení, s jakým počítáme. V hrubším přiblížení jsou tvaru orbitalů a spiny na sobě nezávislé, což se běžně opisuje tvrzením, že v každém vázaném stavu, který je charakterizován nějakým tvarem orbitalu, se mohou nacházet dva elektrony, jeden s jednou orientací spinu a druhý s orientací opačnou. Striktně vzato to ale platí pouze v případě, kdy ty dva elektrony s opačnými spiny, které sdílejí tentýž orbital, mají stejné energie, a to nastává zase tehdy, když síly působící na elektron na spinech nezávisí, resp. pokud jejich závislost na spinu můžeme chápat jako jenom maliličkou korekci k spinově nezávislé síle. Jakmile ale síla, která působí na elektrony, začíná podstatně záviset na spinu, což je typicky případ, když se ty elektrony nachází ve velice silném vnějším magnetickém poli (protože energie elektronu se spinem orientovaným ve směru toho magnetického pole je jiná než energie elektronu se spinem orientovaným proti směru pole), tak potom se začínají pomaličku rozcházet i tvary těch orbitalů. Obecně lze ale říct, že tvary orbitalů se v závislosti na síle aplikovaných vnějších polí mění podstatně "líněji" než energie elektronů, proto i v případech, kdy se v silných vnějších polích energie elektronů s opačně orientovanými spiny citelně rozejdou, tak většinou i v těchto situacích je docela uspokojivý popis, kdy tvary orbitalů pro obě orientace spinu bereme jako stejné. Tzn. že tvary orbitalů, které jsou popisovány pro elektrony v atomu např. zde: https://cs.wikipedia.org/wiki/Atomov%C3%BD_orbital , můžeme s velmi dobrou přesností brát jako vyhovující pro obě orientace elektronového spinu i v relativně silných vnějších magnetických polích, tj. neuděláme velkou chybu, pokud si představíme, že identický orbital mohou okupovat dva elektrony s opačnými spiny.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re:

Pavel Brož,2019-05-27 02:01:39

Teď jsem si pouze uvědomil, že možná jste se neptal jenom na ten tvar orbitalu, jak jsem to pochopil já, ale obecněji na souvislost např. orientace spinu s orientací orbitalu. V tom případě je ta souvislost podstatná i ve velice slabých vnějších polích. Jinými slovy - tvar orbitalu moc nezávisí na orientaci spinu elektronu, ale orientace toho orbitalu koreluje s orientací spinu stoprocentně. Natáčí-li se vnější pole, natáčí se jak spin elektronu (přičemž může být natočen buď ve směru pole, nebo ve směru opačném), tak i elektronový orbital, nicméně pokud vnější pole nemění svůj směr, ale jenom svou intenzitu, tvar orbitalu se mění velice málo.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re:

Marek Fucila,2019-05-27 16:07:46

Ďakujem.

Odpovědět


Re:

Jiri Naxera,2019-05-28 02:33:40

Nezlobte se, ale myslím že se mýlíte. Nejde o to, jestli chápete každý pojem, ale o to aby pokud se popularizuje nějakým zjednodušením, tak aby bylo alespoň tomu objevu podobné, a aby nebylo zavádějící.
Nedávno tu bylo to něco podobného, čláek o tom jak je krásně elektron dokonale kulatý (a pak z toho vypadlo, že ve skutečnosti šlo o dipólový moment který pokud má, tak je extrémně malý). Fajn, nemusíte tušit co to dipólový moment je, ale to se dá napravit krátkou otázkou a ještě kratší odpovědí v diskusi.

To samé u pana Brože. On z Vás debila nedělá, naopak - snaží se vysvětlit podstatu která prostě v tom tvaru elektronu není, používá přitom správné termíny (které když nevíte, tak buď se na ně můžete zeptat v diskusi, nebo si je mnohem rychleji vyhledat na netu).
Ono totiž na tom popisu záleží - elektron je jak už tu padlo mnohokrát "něco" co se chová dost neintuitivně. Není to malá kulička, ale něco co se vyskytuje s určitou pravděpodobností v nějaké oblasti, která vypadá podle toho jaký je ten stav, jaká jsou tam pole, ale ještě k tomu je to v té celé oblasti jen do chvíle, než to změříte, pak to (když měříte polohu) je najednou tam kde jste to našel a nikde jinde.
(tady coby dobrou popularizaci bych doporučil pana Tompkinse od G.Gamowa)

To je dost neintuitivní, tak doplním že v atomu jsou to takové obláčky kde se mohou jednotlivé elektrony nacházet, mají různé tvary, a jestli Vám ani tohle nic neříká, tak mě zabijte za to že jsem špatný popularizátor, protože nemluvím o ničem jiném než o orbitalech, které stoprocentně znáte z chemie na střední.

ad ti vedoucí týmů - protestuje pan Brož, protestuje dost vědců kteří se téhle hry nechtějí zůčastňovat, ale děje se to stejně dál, protože nesmyslný, ale bombastický titulek přitahuje pozornost "civilů" a ta zase přitahuje granty. To, že na základě podobných nesmyslů získá nějaký študent chybné informace a pak má problém přejít na odbornější zdroje (nebo v krajním případě když mu neporadí někdo zkušenější a nic zlého netuše sedne na lep pseudovědeckým publikacím) je pak velmi smutné.

Jinak slovníček:
dvoudimenzionální past - nějak tu částici donutíte se pohybovat jen ve dvou rozměrech (v rovině)

qubit - základní kvantová informační jednotka, můžete za něj brát jakýkoli kvantový dvoustatvový systém (třeba ten spin, nebo třeba překlopení nesymetrické molekuly). Podstatné je to slovo "dvoustavový" - existují dva rozdílné stavy, ve kterých se to může nacházet, a "kvantový" - to znamená, že pokud se může nacházet ve dvou stavech, může se nacházet i v jejich kombinaci. (pro hezký úvod, Feymnanovy přednášky 3)

Vlnová funkce - matematická funkce, která popisuje chování částice (elektronu) jako vlny, a mimo jiné určuje pravděpodobnost, že ho v daném okamžiku naleznete v daném místě. (technicky: komplexní funkce místa a času, druhá mocnina její absolutní hodnoty určuje hustotu pravděpodobnosti nálezu té částice, rychlost změny fáze odpovídá hybnosti v daném směru, s tím že hmotnost můžeme považovat za hybnost ve směru času)

Ono to provinění je stejné, jako když napíšete že molekula vody je hodně protáhlá tenká tyčka, a když se pak bude člověk pídit po zdroji té hlouposti, tak zjistí že ve skutečnosti to nebylo o tvaru molekul vody, ale o tvaru trubek vodovodu.

Odpovědět


Re: Re:

Marek Fucila,2019-05-28 14:22:35

Ja by som mal otázku k tej dvojstavovosti.
Máme teda povedzme elektrón, ktorý má nejaký spin, alebo ho má opačný, alebo má oba naraz. Ak spin odmeriame, bude to jedna z dvoch hodnôt.
Teraz si nie som istý či je to o tej slávnej mačke (od doby Schrödingera už v krabici urcite spí večným spánkom:-)), alebo to nesúvisí.
Čo ale do momentu merania? Dovtedy je to pre nás stále dvojstavové, alebo vieme nejako overiť, či už sa o spine rozhodlo? Povedzme máme ten kvantový počítač - vieme povedať, či je qubit v stave superpozície, alebo už má len jednu z dvoch hodnôt? Alebo to zistíme až tým, že výsledok výpočtu neprejde skúškou správnosti?
Predstavujem si to tak, že tá dvojstavovosť tam má ostať, kým neprebehne výpočet, ale čo ak došlo k rušeniu?
A plus ako vieme, že ten elektrón je dvojstavový už na začiatku? Je to spôsobom ako elektróny produkujeme?

Odpovědět


Re: Re: Re:

Jiri Naxera,2019-05-29 11:04:18

Tak víme to proto, že dokuď to nezměříte, tak to interferuje, zatímco až se o novém měření spinu rozhodne, pak už ne. *)
viz experimenálně třeba známý dvouštěrbinový experiment, tam máte na stínítku interferenční obraz přesně do chvíle než začnete v každé štěrbině měřit, jestli jí něco prošlo nebo ne. To je taky odpověď na Váš dotaz co se stane když dojde k rušení - čím je to rušení (třeba měřením) silnější, tím víc to smaže interferenci.
(jak už jsem psal, hezký a hlavně přístupný rozbor základů kvantovky je v Feynmanových přednáškách 3, jsou k sehnání i česky)

Teda přesněji pro představu, vezměte třeba foton / optiku a polarizaci světla. Jedna báze je horizontální a vertikální polarizace, druhá je třeba levotočivá a pravotočivá. Nebo můžete ty osy polarizace otočit, nebo cokoli. Každopádně vždycky můžete najít takovou bázi, pro kterou je to ostře v jediném stavu, a další nekonečno bází, kde je to smíšené.
Hrátky s otáčením polarizačních filtrů (i když kvantovkáři používají na jejich místě Stern Gerlachův přístroj) fungují i pro jednotlivé částice, jen se z intenzity světla stane pravděpodobnost že konkrétní částice projde.

Jinak na začátku elektron není dvoustavový, ona ta dvoustavovost je velké zjednodušení. Ten tok myšlenek je asi následující:

Máte Schrodingerovu rovnici (teda Diracovu), ta má obecně nekonečno řešení.
Pak buď vyrobíte nějaký fyzikální systém, ve kterém se mohou realizovat z nich jen dvě, jako např. konkrétní orbital v atomu.

A nebo 2 "rodiny" řešení. Například když řeknu že volný elektron má 2 možné spiny, tak ve skutečnosti tim říkám, že jsem rozdělil prostor všech možných řešení (může mít libovolnou hybnost v libovolném směru a libovolný spin) na dva podprostory, jeden se spinem (ve zvolené ose) nahoru, druhý dolu, a pro danou úlohu to, že je za tím nekonečno řešení pro různé hybnosti nechám plavat.

*) Pozor na jednu matoucí věc, když se řekne měření, tak se tím myslí cokoli co zhroutí vlnovou funkci a vznikne nový stav. Takže když projde foton polarizačním filtrem, je to měření, i když na to nikdo nekouká, podstatné je že po měření to má ostrý stav.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re:

Marek Fucila,2019-05-29 22:59:13

Ďkujem.
Od Feynmana som zatial čítal len QED (lebo to bolo krátke :)), je asi na čase pozrieť si toho viac.
Aj i kvantových počítačoch sa plánujem dozvedieť viac, lebo už som o nich veľa krát čítal viac/menej populárne články a stále mi unikajú podstatné detaily.

Odpovědět


Re: Re:

Milan Krnic,2019-05-28 16:33:03

K tomu, co nemusíte tušit ... ale dá se napravit krátkou otázkou a ještě kratší odpovědí v diskusi: 2019-05-26 09:11:59

Odpovědět

O co ve skutečnosti šlo

Pavel Brož,2019-05-25 23:08:48

Bohužel se v poslední době stává pravidlem, že k mediálním oznámením výsledků různých vědeckých pracovišť by se měl přibalovat výkladový slovník, který by umožnil zpětný překlad z „mediálštiny“ do původního tvaru, ve kterém jsou ještě poznatelné klíčové znaky toho, na co se vlastně přišlo a jaký to má význam. Tuto „mediálštinu“ mají bohužel mnohdy na svědomí i členové výzkumných týmů, někdy dokonce i jejich vedoucí, kteří se k médiím vyjadřují tak, jako by v nich pracovali výhradně troglodyti – bohužel pak takto podané zprávy kolují i na vědecko-popularizačních serverech, které se se vzrůstající záplavou takových zpráv nechtěně stávají vědecko-mystifikačními servery.

O co tedy ve zmiňovaném článku (nejen) švýcarských vědců šlo? Rovnou řekněme, že v něm nešlo o určení geometrie elektronu. Místo toho se (s velikou přesností) určoval tvar a orientace elektronových orbitalů elektronu lapeného v kvantové tečce, a to v závislosti na velikosti a směru aplikovaných vnějších polí. Dobrá znalost toho, jak vnější pole ovlivňují tvar a orientaci elektronových orbitalů, je mimo jiné klíčová pro efektivní manipulaci se spinem lapeného elektronu – zde je dobré zmínit, že právě elektrony lapené v kvantových tečkách jsou velice často používány jakožto qubity, elementární buňky „kvantové paměti“, nebo chcete-li, registru kvantového počítače. Pokud chceme co nejlépe využívat vlastností qubitů a provázaných (tzv. entanglovaných) stavů elektronů v nich uložených, a hlavně pokud chceme efektivně manipulovat s těmito stavy, musíme umět s dostatečnou přesností předvídat, jak se tyto stavy (resp. tvary a orientace jim odpovídajících orbitalů) mění v závislosti na aplikaci vnějších polí.

Referovaný článek byl publikován na Physical Review Letters dne 22. května 2019 pod názvem „Spectroscopy of Quantum Dot Orbitals with In-Plane Magnetic Fields“, zde je možné vidět jeho abstrakt:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.207701

Článek je ve skutečnosti staršího data, jeho původní verze se stejnými autory i názvem jde dohledat na arxiv.org zde:

https://arxiv.org/pdf/1804.00162.pdf

Pro fyziky z jiných oborů bude možná srozumitelnější, jak o daném výsledku referuje např. profesorka fyziky na univerzitě v Rio de Janeiru Bellita Koillerová zde:

https://physics.aps.org/articles/v12/56

Naopak více odbornější texty související s daným tématem, na kterých spolupracovali v článku zmínění Dominik M. Zumbühl a Daniel Loss, lze nalézt zde:

„g-factor of electrons in gate-defined quantum dots in a strong in-plane magnetic field“:
https://arxiv.org/pdf/1808.03963.pdf

„Orbital effects of a strong in-plane magnetic field on a gate-defined quantum dot“:
https://arxiv.org/pdf/1804.00128.pdf

Pro laiky se pokusím srozumitelnou formou přiblížit pár klíčových bodů v následujících řádcích:

Kvantová tečka (anglicky quantum dot) je často (ne však vždy) realizovaná jakožto efektivně dvoudimenzionální past na elektrony. Existuje velice hodně realizací kvantových teček (blíže viz https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_dot). V referovaném článku je kvantová tečka realizovaná na polovodičové vrstvě viz obrázek na straně 2 v článku https://arxiv.org/pdf/1804.00162.pdf – kvantová tečka je tam vyobrazena jako červený flíček s popiskou QD. Ten červený elipsoidní flíček ve skutečnosti představuje jenom jeden z mnoha možných elektronových orbitalů, další možné tvary je možno vidět v části d téhož obrázku (vybarvené fialově a zeleně). Pro nefyziky bych mohl ještě dodat, že elektronový orbital je název pro vlnovou funkci elektronu, který je ve vázaném stavu - tzn. ne např. volného elektronu, ale elektronu vázaného třeba v atomu, v molekule, obecněji pak v nějaké potenciálové jámě, což je zrovna případ té kvantové tečky (právě proto se o kvantových tečkách mluví jako o umělých atomech). A vlnová funkce je zase veličina, která určuje pravděpodobnostní výskyt elektronu – ve vyobrazeních elektronových orbitalů to vypadá, jako by ta vlnová funkce končila (byla nulová) na hranicích těch orbitalů, ale to není pravda, ve skutečnosti se spojitě rozprostírá do nekonečna, ty nakreslené hranice orbitalů ve skutečnosti představují jen námi uměle určenou hranici, za kterou se ta vlnová funkce stává velice malou.

Tvar a orientace elektronového orbitalu silně závisí jednak na míře excitace elektronu lapeného v kvantové tečce (tak jako v atomu či molekule i v kvantové tečce může být elektron v základním stavu nebo v některém z nekonečně mnoha vyšších, excitovaných stavů), a jednak na vnějších aplikovaných polí. Právě tato vnější pole (elektrická, magnetická či oboje) používáme pro manipulaci s elektrony v kvantových tečkách (tedy i pro manipulaci elektronů v qubitech).

Jak se mění tvary a orientace orbitalů v závislosti na směru a intenzitě vnějších polích je znázorněno na obrázku na straně 3 článku https://arxiv.org/pdf/1804.00162.pdf, část a. A právě o to určování vlivu vnějších polí na tvar a orientaci elektronových orbitalů v tom článku šlo. Nikoliv o určení geometrie elektronu.

Odpovědět


Re: O co ve skutečnosti šlo

Milan Krnic,2019-05-26 09:11:59

Díky za zpřesnění.
"elektronu lapeného v kvantové tečce" je zjednodušení?

Odpovědět


Re: Re: O co ve skutečnosti šlo

Xavier Vomáčka,2019-05-26 12:10:03

Zkreslováním vědeckých článků to začíná a zavíráním jaderných elektráren to končí.

Odpovědět


Re: Re: Re: O co ve skutečnosti šlo

Milan Krnic,2019-05-26 12:32:06

Pravidelně sleduji fyzikální přednášky, čtu oborové články/papery, ale zatím jsem nikde nezaznamenal, jak to s tím uchopením reality v předmětném rámci je. Zato mlžení super. Nemůže se na to zeptat pana Brože, prosím, vy? Mě z diskuze příkladně iracionálně vylučuje. Díky.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: O co ve skutečnosti šlo

Pavel Hudecek,2019-05-26 18:38:08

Když se podívám na vaše příspěvky pod tímto článkem, tak ani jeden nevypadá, že by mělo smysl na něj odpovídat. Je jen vidět snaha za každou cenu najít něco do čeho by se dalo rýpnout. Díky takovým lidem se pak každá delší diskuze stane nepřehlednou a čtenáři nic nepřináší, jen odvádí pozornost.

Připomíná mi to jedno dítě co chodí ke mě na elektronický kroužek. Často ho musím vyhazovat za dveře, když mi při výkladu skáče do řeči. Typicky mi tam chce vnutit nějaký detail, který mám v plánu říct později, nebo vynechat, aby posluchači vůbec zvládli pochopit základní princip.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: O co ve skutečnosti šlo

Martin X,2019-05-26 19:13:33

Neexistuje spolahlivejsi sposob ako u dietata vyvolat odpor a nedoveru k autoritam (ucitelom a pod.) ako ho vyhodit za dvere v okamihu, ked prejavi vlastny rozum a iniciativu. Uz stari Grekovia vedeli, ze efektivny proces vyuky je diskusia, nie jednostranna "nalievarna" vedomosti od ucitela k ziakovi.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: O co ve skutečnosti šlo

Pavel Hudecek,2019-05-26 21:06:31

No jo no, v psychologii je stále ještě velký rozdíl mezi teorií a praxí. Právě jste popsal teorii. Praxe je taková, že tatínek pravidelně po kroužku musí dítě násilím odtáhnout, posledně ho dokonce odnesl. Jinak by se mě vyptávalo nejmíň do druhého dne ráno. Dotyčné dítě má velký zájem, je velmi chytré, ale nedokáže pochopit, že tam není samo.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: O co ve skutečnosti šlo

Milan Krnic,2019-05-26 22:21:24

Martine, mě to muže dokola potvrzovat, že problematice nikdo (z dotyčných) nerozumí. Kdyby rozuměl, nebyl by problém odpovědět - samozřejmě v rámci diskuze. Jenže zde máme dvě možná vysvětlení - buď problematice nerozumí anebo jsou iracionální (konkrétně neumí vést diskuzi - což zase potvrzují čestné polemiky, které píší). Vzhledem k tomu, co se svých přednáškách pravil svého času Ríša, a těm polemikám, to bude nejspíš obojí. To mi sice v mé zvědavosti v rámci tématu nijak nepomůže, ovšem ani nijak neuškodí. Pocity do diskuze netahám.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: O co ve skutečnosti šlo

Milan Krnic,2019-05-26 22:26:36

*četné

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: O co ve skutečnosti šlo

Pavel Brož,2019-05-26 19:17:56

Kdyby to tak byly jen příspěvky pod tímto článkem, ale zkuste si projít diskuze u namátkově vybraných článků z posledních několika let. Pan Krnič ve svých příspěvcích zatím nepředvedl více, než co uměl svého času např. takový program Eliza z roku 1964, viz zde: https://cs.wikipedia.org/wiki/ELIZA. Svého času jsem ho podezíral, jestli to třeba není solidně napsaný program sepsaný v rámci bakalářky nějakým talentovaným studentem informatiky, dnes si myslím že ne, ale definitivní důkaz že ne zatím stále nemám. Uznávám, že talentovaný student informatiky by možná uměl napsat i diskuzní program s názvem Pavel Brož, pouze si myslím, že by to měl o dost těžší.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: O co ve skutečnosti šlo

Milan Krnic,2019-05-26 22:05:36

Děkuji oběma Pavlům, již klasicky, za polemiky, namísto odpovědi na jednoduchou otázku v rámci diskuze.

Odpovědět

Neverím tomu čo počujem

Vladimír Bzdušek,2019-05-25 22:24:34

a len polovici toho čo vidím. Tým chcem povedať, že som extrémny prípad skeptika. Mám syna, doktora teoretickej fyziky z kvantovej oblasti, publikoval v Nature, ale nie som v stave uveriť tomu, že o tomto stave hmoty vieme niečo "hmatateľné". Furt sme kdesi za odrazmi Platónových ideií ...

Odpovědět


Re: Neverím tomu čo počujem

Milan Krnic,2019-05-26 09:03:49

niečo "hmatateľné" > spintronika
http://benasque.org/2014magnetism/talks_contr/135_Spintronic_devices_Benasque_paulo_freitas.pdf


Když pro vás něco dobře pracuje, nemusíte nutně vědět proč, zvláště když je to neuchopitelné.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace