Изследователи от Йейл измислиха как да уловят и спасят известната котка на Шрьодингер, символ на квантовата суперпозиция и непредсказуемост, като предвиждат нейните скокове и действия в реално време, за да го спасят от гибел. Тяхната работа преобръща тази крайъгълна догма в квантовата физика.
Откритието дава възможност на изследователите да създадат система за ранно предупреждение за предстоящи скокове на изкуствени атоми, съдържащи квантова информация.
Проучването, което обяви откритието, бе публикувано в списанието Nature.
Котката на Шрьодингер е добре известен парадокс, използван за илюстриране на концепцията за суперпозиция - способността две противоположни състояния да съществуват едновременно - и непредсказуемостта в квантовата физика. В мисловен експеримент се поставя котка в запечатана кутия с радиоактивен източник и отрова, която ще се задейства, ако атом от радиоактивното вещество се разпадне. Теорията за суперпозицията на квантовата физика предполага, че докато някой не отвори кутията, котката е и жива, и мъртва едновременно, тоест в суперпозиция на двете състояния. Отварянето на кутията за наблюдение на котката предизвиква внезапна промяна на квантовото ѝ състояние, принуждавайки я да заеме едно от състоянията - мъртва или жива.
Квантовият скок е дискретно (тоест неплавно) и случайно променящо се състояние, когато се извърши наблюдението.
Експериментът, извършен в лабораторията на професор Мишел Деворе (Michel Devoret) в Йейл и предложен от водещия автор Златко Минев (Zlatko Minev), за първи път се вглежда как всъщност работи квантовият скок. Резултатите разкриват изненадващо откритие, което противоречи на установената гледна точка на датския физик Нилс Бор - скоковете не са нито резки, нито случайни, както се смяташе по-рано.
За един малък обект като електрон, молекула или изкуствен атом, съдържащ квантова информация (известен като кубит), квантовият скок е внезапен преход от едно от неговите дискретни енергийни състояния в друго. При разработването на квантовите компютри изследователите трябва да се справят с тези скокове на кубитите, които се проявяват като грешки в изчисленията.
Загадъчните квантови скокове са описани теоретично от Бор преди един век, но не са наблюдавани до 80-те години в атомите.
"Тези скокове се случват всеки път, когато измерваме кубит", обяснява Деворе, професор по теоретична и приложна физика в Йейл. "Известно е, че квантовите скокове са непредсказуеми в дългосрочен план".
"Въпреки това", добавя Минев, "искахме да знаем дали ще бъде възможно да се получи предварително предупредителен сигнал, че ще се случи внезапен скок".
Минев отбеляза, че експериментът е вдъхновен от теоретичното предсказание на професор Хауърд Кармайкъл (Howard Carmichael) от Университета в Окланд, пионер на теорията за квантовата траектория и съавтор на изследването.
Откритието представлява и значителен прогрес в разбирането и контрола на квантовата информация. Изследователите казват, че надеждният контрол на квантовите данни и коригирането на грешките, е ключово предизвикателство в разработката на наистина полезни квантови компютри.
Екипът на Йейл използва специален подход за индиректно наблюдение на свръхпроводящ изкуствен атом, с три микровълнови генератора, облъчващи атома, затворен в 3D кухина, направена от алуминий. Методът на двойно индиректно наблюдение, разработен от Минев за свръхпроводящи схеми, позволява на изследователите да наблюдават атома с безпрецедентна ефективност.
Микровълновото лъчение възбужда изкуствения атом, а това се наблюдава едновременно, което води до квантови скокове. Малкият квантов сигнал на тези скокове може да бъде усилен без загуба при стайна температура. Тук сигналът им може да се следи в реално време. Това позволи на изследователите да регистрират внезапното отсъствие на откриваеми фотони - това малко отсъствие е предварително предупреждение за квантов скок.
Наблюдение на квантовите скокове в тристепенната система. To catch and reverse a quantum jump mid-flight, Nature (2019).
"Красивият ефект, показан от този експеримент, е увеличаването на кохерентността по време на скока, въпреки наблюдението", коментира Деворе. "Това е възможност не само да се улови скока, но и да се обърне", добавя Минков.
Това е от решаващо значение, отбелязват изследователите. Докато квантовите скокове изглеждат дискретни и случайни в дългосрочен план, обръщането на квантовия скок означава, че еволюцията на квантовото състояние притежава, отчасти, детерминистичен, а не случайен характер - скокът винаги се извършва по същия, предсказуем начин от произволната му начална точка.
"Квантовите скокове на атома са донякъде аналогични на изригването на вулкан", обяснява Минев. „Те са напълно непредсказуеми в дългосрочен план. Въпреки това с правилното наблюдение можем със сигурност да открием предварително предупреждение за предстоящата катастрофа и да се вземат мерки преди да се случи".
Справка: To catch and reverse a quantum jump mid-flight, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1287-z , https://www.nature.com/articles/s41586-019-1287-z
Източник: Yale University
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари