Quantum leaps are real-and now we can control them

By Leah Crane

meer dan een eeuw lang roeiden natuurkundigen over de ware aard van een kwantumsprong. Er is nu een antwoord, en in ware kwantumvorm had iedereen een beetje gelijk.

de uitdrukking “quantum leap” heeft de afgelopen decennia een beetje hard gewerkt – voor veel mensen doet het denken aan een cliché voor massive change, of het sci-fi TV-programma met Scott Bakula in de hoofdrol. Het beschrijft eigenlijk een van de kernprincipes van de kwantumfysica: dat atomen discrete energieniveaus hebben, en elektronen binnen een atoom kunnen van het ene energieniveau naar het volgende springen, maar kunnen niet worden waargenomen tussen die specifieke niveaus.

titanen van de natuurkunde, waaronder Niels Bohr, die het idee in 1913 introduceerde, Erwin Schrödinger en Albert Einstein botsten over de specifieke kenmerken van deze sprongen – ook bekend als kwantumsprongen – in het bijzonder over de vraag of ze onmiddellijk waren en of hun timing willekeurig was.Nu hebben Zlatko Minev van de Universiteit van Yale en zijn collega ‘ s het debat geregeld. “Als we inzoomen op een zeer fijne schaal is de sprong niet onmiddellijk, noch zo volledig willekeurig als we dachten dat het was,” zegt Minev.

de onderzoekers bereikten dit door het bouwen van een supergeleidend elektrisch circuit met kwantumgedrag dat het een analoog maakt voor een atoom met drie energieniveaus: de aardtoestand, de standaardtoestand van het atoom, een “heldere” toestand verbonden met de aardtoestand en een “donkere” toestand waarin het atoom kan springen.

ze vuurden een bundel microgolven af op het kunstmatige atoom om energie in het systeem te injecteren. Over het algemeen, stuiterde het atoom snel tussen de grondstaat en de heldere staat, het uitzenden van een foton elke keer dat het sprong van helder aan grond. Maar als het atoom een foton met hogere energie uit de bundel zou absorberen, zou het in de donkere staat springen. De donkere toestand was stabieler dan de heldere toestand, dus het atoom zou daar langer blijven zonder fotonen uit te zenden.

aan de hand van deze signalen konden de onderzoekers zien wanneer een kwantumsprong was begonnen door te zoeken naar een lichtflits uit de heldere toestand, gevolgd door een stilte toen het atoom in de donkere toestand sprong. Minev vergelijkt het met het voorspellen van een vulkaanuitbarsting. “Het is een willekeurig fenomeen, niemand kan voorspellen wanneer de volgende vulkaanuitbarsting zal plaatsvinden, maar voordat de volgende uitbarsting gebeurt zijn er bepaalde signalen in de grond die we kunnen detecteren en gebruiken als een waarschuwing,” zegt hij.

de stilte in het licht van het atoom is gelijk aan die seismische waarschuwingssignalen. Op langere tijdschalen, het is onmogelijk om te voorspellen wanneer de volgende sprong zal plaatsvinden, zoals Bohr dacht – maar op kortere tijdschalen van slechts een paar microseconden, ze zijn.

” het feit dat zo ’n kwantumsprong werd gezien in een supergeleidend circuit in plaats van een atoom is indicatief voor het feit dat we dit supergeleidend circuit kunnen controleren op manieren waarop we natuurlijke atomen niet kunnen controleren,” zegt William Oliver van het Massachusetts Institute of Technology. We zouden ooit in staat moeten zijn om hetzelfde te doen met echte atomen, zegt hij.

deze controle het team in staat stelde iets te doen dat Bohr en zijn tijdgenoten onmogelijk zouden hebben geacht – het beheersen van een kwantumsprong.

als de onderzoekers vlak nadat de sprong was begonnen het atoom met een elektrische puls hadden geraakt, konden ze het onderscheppen en het atoom terugsturen naar de grondtoestand – iets wat niet mogelijk zou zijn geweest als kwantumsprongen werkelijk ogenblikkelijk en willekeurig waren. In plaats daarvan vonden ze dat de sprongen steeds hetzelfde pad Namen tussen de twee energieniveaus, dus het was gemakkelijk om te voorspellen hoe ze terug te stuiteren.

dit toont aan dat, zoals Schrödinger benadrukte, kwantumsprongen niet onmiddellijk zijn-ze nemen in feite ongeveer vier microseconden in beslag. “In zekere zin zijn de sprongen geen sprongen”, zegt Minev. “Als je naar deze fijnere functies kijkt, kun je dingen doen die je misschien dacht niet te kunnen doen vanwege deze kleine ramen van voorspelbaarheid.”

dit kan uiteindelijk nuttig zijn om fouten in kwantum computing te corrigeren, zegt Minev. Een onverwachte kwantumsprong kan een fout in berekeningen markeren, en deze methode kan onderzoekers in staat stellen om het begin van de sprong te herkennen en rekening te houden met de fout, of zelfs om te keren halverwege de sprong. “Dit is een zeer belangrijk wetenschappelijk resultaat, en de relevantie ervan voor kwantumcomputers van de toekomst zal afhangen van hoe kwantumcomputers van de toekomst eruit zien”, zegt Oliver.