Преходите между енергийните състояния не могат да се случват безкрайно бързо. Основното ограничение на скоростта за прости системи е установено от физиката преди 60 години. Сега учените са открили същата граница за системи с много частици.
Това ново изследване дава отговор на основен въпрос - колко бърз може да бъде квантовият процес? Полезна информация е да се знае дали искаме да изградим квантов компютър или квантова мрежа, тъй като определя някои от ограниченията, присъщи на системата.
За ни обяснят изследването си, физиците, извършили новото проучване, предоставят по-лесна за разбиране аналогия, която включва опитен сервитьор, който трябва да сервира цял поднос с чаши шампанско само няколко минути преди полунощ. Колко бързо може сервитьорът да раздаде всички напитки, без да разлее течността?
Сервитьорът се втурва от гост на гост с максимална скорост. Благодарение на техниката си, усъвършенствана в продължение на много години работа, той въпреки това успява да не разлее нито една капка от ценната течност. Малък трик му помага да направи това: Докато сервитьорът ускорява стъпките си, той накланя малко тавата, за да не се разлее шампанското от чашите. По средата на пътя си до масата той накланя подноса в обратна посока и забавя. Едва когато е напълно спрял, го държи отново изправен.
Атомите в някои отношения са подобни на шампанското. Те могат да бъдат описани като материални вълни, които се държат не като билярдна топка, а по-скоро като течност. Следователно всеки, който иска да транспортира атоми от едно място на друго възможно най-бързо, трябва да бъде също толкова сръчен като сервитьора в навечерието на Нова година.
„И дори тогава има ограничение на скоростта, което този транспорт не може да надвиши“, обяснява д-р Андреа Алберти (Andrea Alberti), ръководител на това проучване от Института по приложна физика на университета в Бон.
Цезиев атом като заместител на шампанското
В своето проучване изследователите експериментално изследват къде точно се намира тази граница. Те използват цезиев атом като заместител на шампанското и два лазерни лъча, перфектно насочени един срещу друг като поднос. Тази суперпозиция, наречена от физиците интерференция, създава постоянна светлинна вълна - поредица от върхове и падини, които първоначално не се движат.
„Заредихме атома в една от тези долини и след това задействахме стоящата вълна - това измести позицията на самата долина“, разказва Алберти. „Нашата цел бе да накараме атома да стигне до целевото място за възможно най-кратко време, без той да се разлее извън долината, така да се каже.“
Фактът, че има ограничение на скоростта в микрокосмоса, вече беше теоретично демонстриран от двама руски физици - Леонид Манделщам и Игор Там преди повече от 60 години.
Те изчисляват, че максималната скорост на квантовия процес зависи от енергийната несигурност - от това колко „свободна“ е манипулираната частица спрямо възможните й енергийни състояния. Колкото повече енергийна свобода има такава частица, толкова е по-бърза.
В случая, ако атом се движи между две състояния на енергия, колкото по-дълбоко е енергийният кладенец (падината), в която е хванат цезиевият атом, толкова по-разпръснати по енергия са квантовите състояния в този кладенец и в крайна сметка толкова по-висока е скоростта, с която атомът ще „пада“ в него или толкова по-бързо атомът може да се движи.
Нещо подобно може да се види в примера на сервитьора: Ако той напълни чашите само наполовина, рискува по-малко шампанското да се разлее, когато ускорява и забавя. Енергийната свобода на частицата обаче не може да бъде увеличена произволно, тоест физически е невъзможно да се направи този енергиен кладенец безкрайно дълбок, което означава, че някъде трябва да има граница на дълбочината му и следователно на скоростта, с която атомът "пада" в него.
„Не можем да направим нашата долина безкрайно дълбока - това би ни коствало твърде много енергия“, подчертава Алберти.
Интериор на изчислителната система на IBM Quantum. Кредит: Flicr/IBM
Телепортирай ме!
Границата на скоростта на Манделщам-Там е фундаментална величина. Тя може да бъде постигната само в системи с две квантови състояния.
„В нашия случай например това се случва, когато точката на началото и целта са много близо една до друга“, обяснява Алберти. "Тогава материалните вълни на атома и на двете места се припокриват и атомът може да бъде транспортиран директно до местоназначението си с едно движение, тоест без никакви спирки между тях - почти като телепортацията в "Стар Трек".
Ситуацията обаче е различна, когато разстоянието нараства до няколко десетки ширини на материалните вълни, както в новия експеримент. За тези разстояния директното телепортиране е невъзможно. Вместо това частицата трябва да премине през няколко междинни състояния, за да достигне крайната си цел: Двустепенната система се превръща в система от много нива. Проучването показва, че за такива процеси се прилага по-ниска граница на скоростта от тази, предсказана от двамата руски физици: Тя се определя не само от енергийната несигурност, но и от броя на междинните състояния. По този начин новото проучване подобрява теоретичното разбиране на сложните квантови процеси и техните ограничения. Според авторите на изследването резултатите от тяхната работа могат да се използват за подобряване на функционирането на сложни квантови системи.
Констатациите на физиците са важни не на последно място за квантовите изчисления. Изчисленията, които са възможни с квантовите компютри, се основават най-вече на манипулирането на многостепенни системи. Квантовите състояния обаче са много крехки. Те издържат само кратък период от време, който физиците наричат време на съгласуваност. Ето защо е важно да се направят колкото се може повече изчислителни операции в това време.
„Нашето проучване разкрива максималния брой операции, които можем да извършим за времето на съгласуваност“, обяснява Алберти. „Това дава възможност да се използва оптимално.“
Справка: Manolo R. Lam, Natalie Peter, Thorsten Groh, Wolfgang Alt, Carsten Robens, Dieter Meschede, Antonio Negretti, Simone Montangero, Tommaso Calarco und Andrea Alberti: Demonstration of Quantum Brachistochrones between Distant States of an Atom; Physical Review X; https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011035
Източник:
A speed limit also applies in the quantum world, University of Bonn
Още по темата
Физика
Квантови имитатори: Учени откриват нов начин, по който бозоните се държат като фермиони
Физика
Проучване разкрива ново електронно състояние на материята (видео)
Физика
Ще помогнат ли квантовите компютри с разрешаването на неразрешимите до сега проблеми?
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари