Quantum leaps are real-and now we can control them

By Leah Crane

przez ponad wiek fizycy wiosłowali o prawdziwej naturze skoku kwantowego. Teraz jest Odpowiedź, i w prawdziwej formie kwantowej, każdy był trochę poprawny.

fraza „quantum leap” w ciągu ostatnich kilku dekad nabrała tempa – dla wielu osób będzie to banał na masowe zmiany, czyli program telewizyjny sci-fi z udziałem Scotta Bakuli. W rzeczywistości opisuje jedną z podstawowych zasad fizyki kwantowej: że atomy mają dyskretne poziomy energii, a elektrony w atomie mogą przeskakiwać z jednego poziomu energii do drugiego, ale nie mogą być obserwowane między tymi konkretnymi poziomami.

Tytani fizyki, w tym Niels Bohr, który wprowadził pomysł w 1913 roku, Erwin Schrödinger i Albert Einstein starli się nad specyfiką tych skoków – znanych również jako skoki kwantowe – szczególnie o tym, czy były one natychmiastowe i czy ich czas był przypadkowy.

teraz Zlatko Minev z Uniwersytetu Yale ’ a i jego koledzy rozstrzygnęli debatę. „Jeśli zbliżymy się do bardzo dokładnej skali, skok nie będzie ani natychmiastowy, ani tak w pełni przypadkowy, jak myśleliśmy”, mówi Minev.

naukowcy osiągnęli to, budując nadprzewodzący obwód elektryczny z zachowaniem kwantowym, który czyni go analogiem do atomu z trzema poziomami energii: stanem podstawowym, który jest stanem domyślnym atomu, stanem „jasnym” połączonym ze stanem podstawowym i stanem „ciemnym”, w który atom może przeskoczyć.

wystrzelili wiązkę mikrofal w sztuczny atom, aby wstrzyknąć energię do systemu. Ogólnie rzecz biorąc, atom gwałtownie odbijał się między stanem podstawowym a jasnym, emitując Foton za każdym razem, gdy przeskakiwał z jasnego na ziemię. Ale gdyby atom wchłonął Foton o wyższej energii z wiązki, przeskoczyłby do stanu ciemnego. Ciemny stan był bardziej stabilny niż jasny, więc atom pozostał tam dłużej bez emitowania fotonów.

na podstawie tych sygnałów naukowcy byli w stanie stwierdzić, kiedy rozpoczął się skok kwantowy, szukając błysku światła ze stanu jasnego, a następnie ciszy, gdy ATOM skoczył do stanu ciemnego. Minev porównuje to do przewidywania erupcji wulkanu. „To przypadkowe zjawisko, nikt nie może przewidzieć, kiedy nastąpi Następna erupcja wulkanu, jednak zanim nastąpi Następna erupcja, w ziemi są pewne sygnały, które możemy wykryć i wykorzystać jako ostrzeżenie”, mówi.

cisza w świetle atomu jest równoważna sejsmicznym sygnałom ostrzegawczym. W dłuższych skalach czasowych niemożliwe jest przewidzenie, kiedy nastąpi następny skok, jak myślał Bohr-ale w krótszych skalach czasowych zaledwie kilku mikrosekund, są.

„fakt, że taki skok kwantowy był widziany w obwodzie nadprzewodzącym, a nie w atomie, świadczy o tym, że możemy kontrolować ten obwód nadprzewodzący w sposób, w jaki nie możemy kontrolować naturalnych atomów”, mówi William Oliver z Massachusetts Institute of Technology. Kiedyś powinniśmy być w stanie zrobić to samo z prawdziwymi atomami, mówi.

ta kontrola pozwoliła zespołowi zrobić coś, co Bohr i jego rówieśnicy uznaliby za niemożliwe – kontrolowanie skoku kwantowego.

gdyby zaraz po rozpoczęciu skoku naukowcy uderzyli w atom impulsem elektrycznym, mogliby go przechwycić i wysłać atom z powrotem do stanu podstawowego – coś, co nie byłoby możliwe, gdyby skoki kwantowe były naprawdę natychmiastowe i przypadkowe. Zamiast tego odkryli, że skoki za każdym razem przebiegały tą samą ścieżką między dwoma poziomami energii, więc łatwo było przewidzieć, jak je odbić.

to pokazuje, że, jak podkreślał Schrödinger, skoki kwantowe nie są natychmiastowe – w rzeczywistości trwają około czterech mikrosekund. „W pewnym sensie skoki to nie skoki” – mówi Minev. „Jeśli spojrzysz na te drobniejsze funkcje, możesz robić rzeczy, które być może myślałeś, że nie możesz zrobić z powodu tych małych okienek przewidywalności.”

może to być przydatne do poprawiania błędów w obliczeniach kwantowych, mówi Minev. Nieoczekiwany skok kwantowy może oznaczać błąd w obliczeniach, a ta metoda może pozwolić naukowcom na wykrycie początku skoku i Wyjaśnienie błędu, a nawet odwrócenie go w połowie skoku. „Jest to bardzo ważny wynik naukowy, a jego znaczenie dla komputerów kwantowych przyszłości będzie zależeć od tego, jak będą wyglądały komputery kwantowe przyszłości”, mówi Oliver.