Кот Шредингера в прыжке

Согласно распространенным предположениям, отдельные квантовые прыжки в атомах происходят совершенно случайно и непредсказуемо-ситуация аналогична той, в которой оказался «кит Шредингера» в знаменитом мысленном эксперименте.

Но недавняя разведка опровергает это утверждение. Ведь существует определенный предупредительный знак, сообщающий о квантовых прыжках, — а его по крайней мере в краткосрочной перспективе можно обнаружить. Наконец, на него можно влиять.

Изменение атомных состояний, так называемые квантовые прыжки, до сих пор считали непредсказуемой, как и состояние кота Шредингера. Но теперь ученые обнаружили их предвестников.

В квантовом мире частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно — по крайней мере до тех пор, пока их состояние не измеряют, — тогда разрушается интерференция и квантовое состояние меняется скачкообразно (или нет). Аналогия этого — знаменитый мисленный эксперимент о коте Шредингера: животное, что сидит в закрытом ящике, находится в неизвестном состоянии между жизнью и смертью до тех пор, пока кто-то не заглянет в ящик.

В квантовом мире лишь это заглядывание внутрь определяет, происходит ли квантовый скачок, или нет, — речь идет о таком явлении, когда атомный спин отклоняется или электрон перепрыгивает на высший энергетический уровень. «Эти квантовые скачки происходят, например, тогда, когда измеряем кубит в квантовом компьютере», — пояснил Златко Минев из Йельского университета в Нью-Хейвен и его коллеги.

Проблема все же заключается в том, что, по распространенной теории, эти квантовые скачки невозможно предсказать: они состоятся и когда, остается невыясненным. Для многих функций квантового компьютера это существенный недостаток. Однако некоторые теоретические модели все же указывают на то, что может существовать некий предвестник квантовых скачков. Собственно это и исследовал Минев с коллегами в эксперименте.

Для своего исследования ученые использовали искусственный атом, который одновременно мог приобретать трех энергетических состояний: основное состояние; так называемый темное состояние, которое невозможно измерить непосредственно; и третий — «ясный» вспомогательное состояние. Если на атом действовать микроволнами, он переходит в это состояние. Наконец, прыгая снова в основное состояние, атом излучает фотон, который могут зафиксировать фотодетекторы.

Так можно в результате сочетания микроволновых данных и фотонных измерений выяснить, произойдет квантовый скачок с основного состояния до «темного» энергетического уровня, и если да, то когда это случится? При этом важно было не измерять скачок напрямую. Учитывая это, ученые нацеленно искали изменения в системе, которые могли бы извещали о этот прыжок.

И действительно, эксперимент показал: предвестники квантовых прыжков существуют. «Несмотря на невозможность их предвидение в долгосрочной перспективе, скачки из основного состояния к „темному“ предшествует каждый раз одинаковая фаза фотонной тишины», — пояснил Минев со своей командой. Если эта фаза длилась от двух до 10 микросекунд, если начался так называемый период «no-click», неизбежно наступал квантовый скачок, выяснили ученые.

То есть квантовые скачки хоть и являются случайными и дискретными событиями, их все же можно предусмотреть. «Прыжок-непрерывный, когерентный и детерминированный процесс, — пояснили физики. — Детерминисткая природа непрерывного «полета «оказалась для нас неожиданной — это остров предсказуемости в океане неуверенности».

Иначе говоря: кота Шредингера можно застать в момент прыжка между жизнью и смертью — и, вероятно, даже его схватить и вернуть обратно. Ведь в эксперименте ученым удалось даже отмотать назад квантовый скачок — в результате вмешательства в эту передпрышковую стадию.

По мнению ученых, полученные показания открывают новые перспективы для контролируемого вмешательства в процессы квантовой системы — например, заблаговременно выявляя и корректируя ошибки квантового компьютера. Это явление ученые сравнивают с извержением вулкана: «В долгосрочной перспективе его никак не предусмотреть. Но с помощью правильных измерений можно заметить ранние признаки извержения, что готовится, зафиксировать их и потом вовремя прибегнуть к определенным мерам», — пояснил Минев.

1

Комментарии


Чтобы оставить комментарий, пожалуйста, авторизируйтесь!
  • Ilia Aksenov
    Ilia Aksenov
    Непредсказуемость квантового скачка может просто объясняться несовершенством нашего контрольно-измерительного оборудования. Усовершенствуются методы и чувствительность приборов, и всё предскажем, и определим. Это вопрос времени и познания человечеством сути бытия.