Quantum loaps are real-and now we can control them

By Leah Crane

yli vuosisadan ajan fyysikot ovat soutaneet kvanttihypyn todellisesta luonteesta. Nyt on vastaus, ja oikeassa kvanttimuodossa kaikki olivat hieman oikeassa.

lause ”quantum leap” on vaatinut viime vuosikymmeninä melkoista myllerrystä – monelle se tuo mieleen kliseenimäisen massiivisen muutoksen, tai scifi-TV-ohjelman, jonka pääosassa on Scott Bakula. Se itse asiassa kuvaa yhtä kvanttifysiikan ydinoppia: että atomeilla on diskreetti energiataso, ja atomin sisällä olevat elektronit voivat hypätä energiatasolta toiselle, mutta niitä ei voida havaita näiden spesifisten tasojen välillä.

fysiikan Titaanit mukaan lukien Niels Bohr, joka esitteli idean vuonna 1913, Erwin Schrödinger ja Albert Einstein ottivat yhteen näiden hyppyjen yksityiskohdista – joita kutsutaan myös kvanttihypyiksi – erityisesti siitä, olivatko ne hetkellisiä ja oliko niiden ajoitus sattumanvarainen.

nyt Yalen yliopistossa työskentelevä Zlatko Minev kollegoineen on ratkaissut keskustelun. ”Jos zoomaamme hyvin hienoon mittakaavaan, hyppy ei ole välitön eikä niin täysin sattumanvarainen kuin luulimme”, Minev sanoo.

tutkijat saavuttivat tämän rakentamalla suprajohtavan virtapiirin, jonka kvanttikäyttäytyminen tekee siitä analogisen atomille, jolla on kolme energiatasoa: maatila, joka on atomin oletustila, ”kirkas” tila, joka liittyy maatilaan, ja ”pimeä” tila, johon atomi voi hypätä.

he ampuivat mikroaaltosäteen keinotekoista atomia kohti ruiskuttaakseen energiaa systeemiin. Yleensä atomi pomppasi nopeasti maatilan ja valoisan tilan välillä ja emittoi fotonin aina hypätessään kirkkaasta maahan. Mutta jos atomi absorboi säteestä korkeaenergisen fotonin, se loikkaisi pimeään tilaan. Pimeä tila oli vakaampi kuin kirkas tila, joten atomi pysyisi siinä pidempään lähettämättä fotoneja.

näistä signaaleista tutkijat pystyivät kertomaan, milloin kvanttihyppy oli alkanut etsimällä valonvälähdystä kirkkaasta tilasta, jota seurasi tuudittautuminen atomin hypätessä pimeään tilaan. Minev vertaa sitä tulivuorenpurkauksen ennustamiseen. ”Se on satunnainen ilmiö, kukaan ei voi ennustaa, milloin seuraava tulivuorenpurkaus tapahtuu, mutta ennen kuin seuraava purkaus ei tapahdu, maassa on tiettyjä signaaleja, jotka voimme havaita ja käyttää varoituksena”, hän sanoo.

atomista tuleva valo vastaa näitä seismisiä varoitussignaaleja. Pidemmillä aikajänteillä on mahdotonta ennustaa, milloin seuraava hyppy tapahtuu, kuten Bohr ajatteli – mutta lyhyemmillä, vain muutaman mikrosekunnin aikajänteillä ne ovat.

”se, että tällainen kvanttihyppy nähtiin atomin sijasta suprajohtavassa piirissä, kertoo siitä, että voimme hallita tätä suprajohtavaa piiriä tavoilla, joita emme voi hallita luonnollisia atomeja”, sanoo William Oliver Massachusetts Institute of Technologyssa. Meidän pitäisi jonain päivänä pystyä tekemään sama asia oikeilla atomeilla, hän sanoo.

This control allowed the team to do something that Bohr and his contemporaries would have considered impossible-controlling a quantum leap.

jos tutkijat heti hypyn alettua iskivät atomiin sähköpulssilla, he pystyivät sieppaamaan sen ja lähettämään atomin takaisin maan pinnalle – mikä ei olisi ollut mahdollista, jos kvanttihypyt olisivat olleet todella välittömiä ja satunnaisia. Sen sijaan he huomasivat, että hypyt kulkivat samaa reittiä kahden energiatason välillä joka kerta, joten oli helppo ennustaa, miten ne kimpoavat takaisin.

tämä osoittaa, että, kuten Schrödinger väitti, kvanttihypyt eivät ole hetkellisiä – ne itse asiassa kestävät noin neljä mikrosekuntia. ”Tavallaan hypyt eivät ole hyppyjä”, Minev sanoo. ”Jos katsot näitä hienompia ominaisuuksia, voit tehdä asioita, joita et ehkä uskonut pystyväsi tekemään näiden pienten ennustettavuuden ikkunoiden takia.”

tästä voi lopulta olla hyötyä kvanttilaskennan virheiden korjaamisessa, Minev sanoo. Odottamaton kvanttihyppy voisi merkitä virhettä laskelmissa, ja tämän menetelmän avulla tutkijat voisivat havaita hypyn alun ja selittää virheen tai jopa peruuttaa sen hypyn puolivälissä. ”Tämä on erittäin tärkeä tieteellinen tulos, ja sen merkitys tulevaisuuden kvanttitietokoneille riippuu siitä, miltä tulevaisuuden kvanttitietokoneet näyttävät”, Oliver sanoo.