Kvantespring er ægte-og nu kan vi kontrollere dem

af Leah Crane

i over et århundrede har fysikere roet om den sande natur af et kvantespring. Der er nu et svar, og i ægte kvanteform var alle lidt korrekte.

udtrykket “kvantespring” har taget lidt vold i løbet af de sidste par årtier – for mange mennesker vil det tænke på en klichkrus for massiv forandring eller sci-fi TV-programmet med Scott Bakula i hovedrollen. Det beskriver faktisk en af kerneprincipperne i kvantefysik: at atomer har diskrete energiniveauer, og elektroner i et atom kan hoppe fra et energiniveau til det næste, men kan ikke observeres mellem disse specifikke niveauer.

Titans of physics, herunder Niels Bohr, der introducerede ideen i 1913, Ervin Schr Schrdinger og Albert Einstein kolliderede over detaljerne i disse spring – også kendt som kvantespring – især om de var øjeblikkelige, og om deres timing var tilfældig.

nu har Latko Minev ved Yale Universitet og hans kolleger afgjort debatten. “Hvis vi går ind i en meget fin skala, er springet hverken øjeblikkeligt eller så helt tilfældigt, som vi troede, det var,” siger Minev.

forskerne opnåede dette ved at opbygge et superledende elektrisk kredsløb med kvanteopførsel, der gør det til en analog til atom med tre energiniveauer: jordtilstanden, som er atomets standardtilstand, en “lys” tilstand forbundet med jordtilstanden og en “mørk” tilstand, hvor atomet kan hoppe.

de fyrede en stråle mikrobølger mod det kunstige atom for at injicere energi i systemet. Generelt hoppede atomet hurtigt mellem jordtilstanden og den lyse tilstand og udsendte en foton hver gang den sprang fra lys til jord. Men hvis atomet absorberede en højere energi foton fra strålen, ville det springe ind i den mørke tilstand. Den mørke tilstand var mere stabil end den lyse tilstand, så atomet ville blive der længere uden at udsende nogen fotoner.

fra disse signaler var forskerne i stand til at fortælle, hvornår et kvantehopp var startet med at lede efter en lysglimt fra den lyse tilstand efterfulgt af en pause, da atomet sprang ind i den mørke tilstand. Minev sammenligner det med at forudsige et vulkanudbrud. “Det er et tilfældigt fænomen, ingen kan forudsige, hvornår det næste vulkanudbrud vil forekomme, men inden det næste udbrud forekommer, er der visse signaler i jorden, som vi kan opdage og bruge som en advarsel,” siger han.

lull i lys fra atomet svarer til de seismiske advarselssignaler. På længere tidsskalaer er det umuligt at forudsige, hvornår det næste spring vil forekomme, som Bohr troede – men på kortere tidsskalaer på kun få mikrosekunder er de.

“det faktum, at et sådant kvantehopp blev set i et superledende kredsløb snarere end et atom, er tegn på, at vi kan styre dette superledende kredsløb på måder, som vi ikke kan kontrollere naturlige atomer,” siger Oliver ved Massachusetts Institute of Technology. Vi skulle en dag være i stand til at gøre det samme med rigtige atomer, siger han.

denne kontrol tillod holdet at gøre noget, som Bohr og hans samtidige ville have anset for umuligt – at kontrollere et kvantespring.

hvis forskerne lige efter hoppet var startet ramte atomet med en elektrisk puls, kunne de opfange det og sende atomet tilbage til jordtilstanden – noget som ikke ville have været muligt, hvis kvantespring var virkelig øjeblikkelig og tilfældig. I stedet fandt de, at springene tog den samme vej mellem de to energiniveauer hver gang, så det var let at forudsige, hvordan man kunne hoppe dem tilbage.

dette viser, at kvantespring ikke er øjeblikkelige, som Schr Krishdinger insisterede – de tager faktisk omkring fire mikrosekunder. “På en måde er springene ikke spring,” siger minev. “Hvis du ser på disse finere funktioner, kan du gøre ting, som du måske troede, du ikke kunne gøre på grund af disse små vinduer med forudsigelighed.”

dette kan i sidste ende være nyttigt at rette fejl i kvanteberegning, siger Minev. Et uventet kvantespring kan markere en fejl i beregningerne, og denne metode kan give forskere mulighed for at få øje på starten af springet og redegøre for fejlen eller endda vende det midt i springet. “Dette er et meget vigtigt videnskabeligt resultat, og dets relevans for fremtidens kvantecomputere vil afhænge af, hvordan fremtidens kvantecomputere ser ud,” siger Oliver.