Kvantesprang er ekte-og nå kan vi kontrollere dem

Av Leah Crane

i over et århundre har fysikere roet om den sanne naturen til et kvantesprang. Det er nå et svar, og i sann kvanteform var alle litt riktige.

uttrykket «kvantesprang»har tatt litt battering de siste tiårene – for mange mennesker vil det huske en cliché for massiv forandring, eller sci-fi TV-programmet med Scott Bakula. Det beskriver faktisk en av kjerneprinsippene i kvantefysikken: at atomer har diskrete energinivåer, og elektroner i et atom kan hoppe fra ett energinivå til det neste, men kan ikke observeres mellom de spesifikke nivåene.

Titans of physics inkludert Niels Bohr, som introduserte ideen i 1913, erwin Schrö, Og Albert Einstein kolliderte over spesifikkene til disse sprangene – også kjent som kvantesprang – spesielt om de var øyeblikkelige og om timingen deres var tilfeldig.

Nå Har Zlatko Minev ved Yale University og hans kolleger avgjort debatten. «Hvis vi zoomer inn i en veldig fin skala, er hoppet verken øyeblikkelig eller så tilfeldig som vi trodde det var,» sier Minev.

forskerne oppnådde dette ved å bygge en superledende elektrisk krets med kvanteadferd som gjør den til en analog til atom med tre energinivåer: grunntilstanden, som er atomets standardstatus, en «lys» tilstand koblet til grunntilstanden, og en «mørk» tilstand der atomet kan hoppe.

de sparket en stråle mikrobølger på det kunstige atomet for å injisere energi inn i systemet. Generelt hoppet atomet raskt mellom grunntilstanden og den lyse tilstanden, og sendte ut en foton hver gang den hoppet fra lys til jord. Men hvis atomet absorberte en høyere energi foton fra strålen, ville det hoppe inn i den mørke tilstanden. Den mørke tilstanden var mer stabil enn den lyse tilstanden, så atomet ville bli der lenger uten å sende ut noen fotoner.

fra disse signalene var forskerne i stand til å fortelle når et kvantehopp hadde startet ved å lete etter et lysglimt fra den lyse tilstanden etterfulgt av en lull da atomet hoppet inn i den mørke tilstanden. Minev sammenligner det med å forutsi en vulkanutbrudd. «Det er et tilfeldig fenomen, ingen kan forutsi når neste vulkanutbrudd vil skje, men før neste utbrudd oppstår, er det visse signaler i bakken som vi kan oppdage og bruke som en advarsel,» sier han.

lullen i lys fra atomet tilsvarer de seismiske advarselssignalene. På lengre tidsskalaer er det umulig å forutsi når neste hopp vil skje – som Bohr trodde – men på kortere tidsskalaer på bare noen få mikrosekunder er de.

» det faktum at et slikt kvantehopp ble sett i en superledende krets i stedet for et atom, er et tegn på at vi kan kontrollere denne superledende kretsen på måter som vi ikke kan kontrollere naturlige atomer,» sier William Oliver Ved Massachusetts Institute of Technology. Vi skal en dag kunne gjøre det samme med ekte atomer, sier han.

denne kontrollen tillot laget å gjøre noe Som Bohr og hans samtidige ville ha ansett umulig å kontrollere et kvantesprang –

hvis forskerne, like etter at hoppet hadde startet, slo atomet med en elektrisk puls, kunne de fange opp det og sende atomet tilbake til grunntilstanden-noe som ikke ville vært mulig hvis kvantesprang var virkelig øyeblikkelig og tilfeldig. I stedet fant de at sprangene tok samme vei mellom de to energinivåene hver gang, så det var lett å forutsi hvordan de skulle sprette dem tilbake.

dette viser At, Som Schrö insisterte, er kvantesprang ikke øyeblikkelige – de tar faktisk omtrent fire mikrosekunder. «På en måte hopper hoppene ikke,» sier Minev. «Hvis du ser på disse finere funksjonene, kan du gjøre ting som kanskje du trodde du ikke kunne gjøre på grunn av disse små vinduene med forutsigbarhet.»

Dette kan etter hvert være nyttig for å korrigere feil i kvantemåling, Sier Minev. Et uventet kvantesprang kan markere en feil i beregninger, og denne metoden kan tillate forskere å se starten på hoppet og ta hensyn til feilen, eller til og med reversere det midt i spranget. «Dette er et svært viktig vitenskapelig resultat, og dets relevans for fremtidens kvante datamaskiner kommer til å avhenge av hvilke kvante datamaskiner i fremtiden som ser ut,» Sier Oliver.