Salturile cuantice sunt reale – și acum le putem controla

de Leah Crane

de peste un secol, fizicienii au vâslit despre adevărata natură a unui salt cuantic. Există acum un răspuns, și într-o formă cuantică adevărată, toată lumea a fost puțin corectă.

expresia „salt cuantic” a luat un pic de bătaie în ultimele decenii – pentru mulți oameni va apela la minte un clich pentru schimbare masivă, sau programul TV sci-fi cu Scott Bakula. De fapt, descrie unul dintre principiile fundamentale ale fizicii cuantice: că atomii au niveluri de energie discrete, iar electronii dintr-un atom pot sări de la un nivel de energie la altul, dar nu pot fi observați între acele niveluri specifice.

titani ai fizicii, inclusiv Niels Bohr, care a introdus ideea în 1913, Erwin Schr și Albert Einstein s – au ciocnit cu privire la specificul acestor salturi – cunoscute și sub numele de salturi cuantice-în special cu privire la faptul dacă au fost instantanee și dacă sincronizarea lor a fost aleatorie.

acum, Zlatko Minev de la Universitatea Yale și colegii săi au stabilit dezbaterea. „Dacă mărim la o scară foarte fină, saltul nu este nici instantaneu, nici la fel de complet aleatoriu pe cât am crezut că este”, spune Minev.

cercetătorii au realizat acest lucru prin construirea unui circuit electric supraconductor cu comportament cuantic care îl face un analog al atomului cu trei niveluri de energie: starea de bază, care este starea implicită a atomului, o stare „strălucitoare” conectată la starea de bază și o stare „întunecată” în care atomul poate sări.

au tras un fascicul de microunde către atomul artificial pentru a injecta energie în sistem. În general, atomul a sărit rapid între starea de bază și starea strălucitoare, emițând un foton de fiecare dată când a sărit de la lumină la sol. Dar dacă atomul ar absorbi un foton cu energie mai mare din fascicul, ar sări în starea întunecată. Starea întunecată era mai stabilă decât starea strălucitoare, astfel încât atomul ar rămâne acolo mai mult timp fără a emite fotoni.

din aceste semnale, cercetătorii au putut să spună când a început un salt cuantic căutând un fulger de lumină din starea strălucitoare urmată de o acalmie pe măsură ce atomul a sărit în starea întunecată. Minev o compară cu prezicerea unei erupții vulcanice. „Este un fenomen aleatoriu, nimeni nu poate prezice când va avea loc următoarea erupție a vulcanului, cu toate acestea, înainte de următoarea erupție, există anumite semnale în pământ pe care le putem detecta și folosi ca avertisment”, spune el.

acalmia în lumină de la atom este echivalentă cu acele semnale de avertizare seismică. Pe intervale de timp mai lungi, este imposibil de prezis când va avea loc următorul salt, așa cum credea Bohr – dar pe intervale de timp mai scurte de doar câteva microsecunde, acestea sunt.

„faptul că un astfel de salt cuantic a fost văzut într-un circuit supraconductor mai degrabă decât într-un atom indică faptul că putem controla acest circuit supraconductor în moduri în care nu putem controla atomii naturali”, spune William Oliver de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts. Într-o zi ar trebui să putem face același lucru cu atomii reali, spune el.

acest control a permis echipei să facă ceva ce Bohr și contemporanii săi ar fi considerat imposibil – controlând un salt cuantic.

dacă, imediat după începerea saltului, cercetătorii ar fi lovit atomul cu un impuls electric, l – ar fi putut intercepta și trimite atomul înapoi la starea de bază-ceva ce nu ar fi fost posibil dacă salturile cuantice ar fi fost cu adevărat instantanee și aleatorii. În schimb, au descoperit că salturile au luat aceeași cale între cele două niveluri de energie de fiecare dată, așa că a fost ușor să prezicem cum să le revenim.

acest lucru arată că, așa cum a insistat Schr Xvdinger, salturile cuantice nu sunt instantanee – de fapt durează aproximativ patru microsecunde. „Într-un sens, salturile nu sunt salturi”, spune Minev. „Dacă te uiți la aceste caracteristici mai fine, poți face lucruri pe care poate ai crezut că nu le poți face din cauza acestor mici ferestre de predictibilitate.”

acest lucru poate fi în cele din urmă util pentru a corecta erorile în calculul cuantic, spune Minev. Un salt cuantic neașteptat ar putea marca o greșeală în calcule, iar această metodă ar putea permite cercetătorilor să observe începutul saltului și să contabilizeze eroarea sau chiar să o inverseze la mijlocul saltului. „Acesta este un rezultat științific foarte important, iar relevanța sa pentru computerele cuantice ale viitorului va depinde de cum arată computerele cuantice ale viitorului”, spune Oliver.