Quantum ugrások valós – és most tudjuk irányítani őket

Leah Crane

a fizikusok több mint egy évszázada eveztek a kvantumugrás valódi természetéről. Most van egy válasz, és valódi kvantum formában mindenki egy kicsit igaza volt.

a “quantum leap” kifejezés az elmúlt néhány évtizedben kissé megtört – sok ember számára a hatalmas változás közhelyére vagy a Scott Bakula főszereplésével készült sci-fi tv-műsorra fog emlékezni. Valójában leírja a kvantumfizika egyik alaptételét: hogy az atomoknak diszkrét energiaszintjük van, és az atomon belüli elektronok átugorhatnak az egyik energiaszintről a másikra, de nem figyelhetők meg az adott szintek között.

a fizika titánjai, köztük Niels Bohr, aki 1913 – ban vezette be az ötletet, Erwin Schr Xhamdinger és Albert Einstein összecsaptak ezen ugrások – más néven kvantumugrások-sajátosságai miatt, különös tekintettel arra, hogy azok pillanatszerűek-e, és véletlenszerűek-e az időzítésük.

most Zlatko Minev a Yale Egyetemen és kollégái rendezték a vitát. “Ha nagyon finom skálára nagyítunk, az ugrás nem azonnali, sem pedig teljesen véletlenszerű, mint gondoltuk” – mondja Minev.

a kutatók ezt úgy érték el, hogy felépítettek egy szupravezető elektromos áramkört kvantum viselkedéssel, ami az atom analógjává teszi három energiaszinttel: az alapállapotot, amely az atom alapértelmezett állapota, egy “fényes” állapotot, amely az alapállapothoz kapcsolódik, és egy “sötét” állapotot, amelybe az atom ugorhat.

mikrohullámokat lőttek a mesterséges atomra, hogy energiát fecskendezzenek a rendszerbe. Általában az atom gyorsan pattogott az alapállapot és a fényes állapot között, és fotont bocsátott ki minden alkalommal, amikor fényesről a földre ugrott. De ha az atom elnyel egy nagyobb energiájú fotont a sugárból, akkor sötét állapotba ugrik. A sötét állapot stabilabb volt, mint a világos állapot, így az atom hosszabb ideig ott maradt fotonok kibocsátása nélkül.

ezekből a jelekből a kutatók meg tudták mondani, hogy mikor kezdődött a kvantumugrás, amikor a fényes állapotból fényvillanást kerestek, majd az atom sötét állapotba ugrott. Minev összehasonlítja a vulkánkitörés előrejelzésével. “Ez egy véletlenszerű jelenség, senki sem tudja megjósolni, hogy mikor következik be a következő vulkánkitörés, azonban a következő kitörés előtt vannak bizonyos jelek a talajban, amelyeket észlelhetünk és figyelmeztetésként használhatunk” – mondja.

az atom fényének csillapítása egyenértékű a szeizmikus figyelmeztető jelekkel. Hosszabb időintervallumokon lehetetlen megjósolni, hogy mikor következik be a következő ugrás, ahogy Bohr gondolta – de rövidebb, csak néhány mikroszekundumos időskálákon igen.

“az a tény, hogy egy ilyen kvantumugrást egy szupravezető áramkörben láttak, nem pedig egy atomban, azt jelzi, hogy ezt a szupravezető áramkört úgy tudjuk irányítani, hogy nem tudjuk ellenőrizni a természetes atomokat” – mondja William Oliver a Massachusetts Institute of Technology-tól. Egyszer majd képesek leszünk ugyanezt megtenni a valódi atomokkal, mondja.

ez a kontroll lehetővé tette a csapat számára, hogy olyasmit tegyen, amit Bohr és kortársai lehetetlennek tartottak volna – egy kvantumugrás irányítását.

ha közvetlenül az ugrás megkezdése után a kutatók elektromos impulzussal eltalálják az atomot, akkor elfoghatják és visszaküldhetik az atomot az alapállapotba – ami nem lett volna lehetséges, ha a kvantumugrások valóban azonnali és véletlenszerűek lennének. Ehelyett azt találták, hogy az ugrások minden alkalommal ugyanazt az utat követték a két energiaszint között, így könnyű volt megjósolni, hogyan lehet visszapattanni őket.

ez azt mutatja, hogy amint azt Schr Xhamdinger ragaszkodott hozzá, a kvantumugrások nem azonnaliak – valójában körülbelül négy mikroszekundumot vesznek igénybe. “Bizonyos értelemben az ugrások nem ugrások” – mondja Minev. “Ha megnézed ezeket a finomabb funkciókat, olyan dolgokat tehetsz, amelyekről talán azt hitted, hogy nem tudsz megtenni a kiszámíthatóság kis ablakai miatt.”

ez végül hasznos lehet a kvantumszámítás hibáinak kijavításához, mondja Minev. Egy váratlan kvantumugrás hibát jelezhet a számításokban, és ez a módszer lehetővé teheti a kutatók számára, hogy észrevegyék az ugrás kezdetét és figyelembe vegyék a hibát, vagy akár meg is fordítsák az ugrás közepén. “Ez egy nagyon fontos tudományos eredmény, és relevanciája a jövő kvantumszámítógépei számára attól függ, hogy néznek ki a jövő kvantumszámítógépei” – mondja Oliver.