Quantum leaps är verkliga-och nu kan vi styra dem

av Leah Crane

i över ett sekel har fysiker roddat om den sanna naturen av ett kvantesprång. Det finns nu ett svar, och i sann kvantform var alla lite korrekta.

uttrycket ”quantum leap” har tagit lite slag under de senaste decennierna – för många människor kommer det att tänka på en clich-exporter för massiv förändring, eller sci-fi-tv-programmet med Scott Bakula i huvudrollen. Det beskriver faktiskt en av kärnprinciperna i kvantfysik: att atomer har diskreta energinivåer, och elektroner i en atom kan hoppa från en energinivå till nästa, men kan inte observeras mellan de specifika nivåerna.

Titans of physics inklusive Niels Bohr, som introducerade tanken i 1913, Erwin Schr Ubabydinger och Albert Einstein kolliderade över detaljerna i dessa språng – även kända som kvanthopp – särskilt om de var momentana och om deras timing var slumpmässig.

nu har Zlatko Minev vid Yale University och hans kollegor avgjort debatten. ”Om vi zoomar in i en mycket fin skala är hoppet varken ögonblickligt eller så helt slumpmässigt som vi trodde det var”, säger Minev.

forskarna uppnådde detta genom att bygga en superledande elektrisk krets med kvantbeteende som gör den till en analog till atom med tre energinivåer: marktillståndet, som är atomens standardtillstånd, ett ”ljust” tillstånd anslutet till marktillståndet och ett ”mörkt” tillstånd i vilket atomen kan hoppa.

de avfyrade en stråle mikrovågor mot den konstgjorda atomen för att injicera energi i systemet. I allmänhet studsade atomen snabbt mellan marktillståndet och det ljusa tillståndet och emitterade en foton varje gång den hoppade från ljus till mark. Men om atomen absorberade en högre energifoton från strålen, skulle den hoppa in i det mörka tillståndet. Det mörka tillståndet var stabilare än det ljusa tillståndet, så atomen skulle stanna där längre utan att avge några fotoner.

från dessa signaler kunde forskarna berätta när ett kvanthopp hade börjat genom att leta efter en blixt av ljus från det ljusa tillståndet följt av en lugn när atomen hoppade in i det mörka tillståndet. Minev jämför det med att förutsäga ett vulkanutbrott. ”Det är ett slumpmässigt fenomen, ingen kan förutsäga när nästa vulkanutbrott kommer att inträffa, men innan nästa utbrott inträffar finns det vissa signaler i marken som vi kan upptäcka och använda som en varning”, säger han.

lull i ljus från atomen motsvarar de seismiska varningssignalerna. På längre tidsskalor är det omöjligt att förutsäga när nästa hopp kommer att inträffa, som Bohr trodde – men på kortare tidsskalor på bara några mikrosekunder är de.

” det faktum att ett sådant kvanthopp sågs i en superledande krets snarare än en atom är ett tecken på det faktum att vi kan kontrollera denna superledande krets på sätt som vi inte kan kontrollera naturliga atomer”, säger William Oliver vid Massachusetts Institute of Technology. Vi borde en dag kunna göra samma sak med riktiga atomer, säger han.

denna kontroll gjorde det möjligt för laget att göra något som Bohr och hans samtidiga skulle ha ansett omöjligt – kontrollera ett kvantesprång.

om forskarna, strax efter hoppet hade börjat, slog atomen med en elektrisk puls, kunde de fånga upp den och skicka atomen tillbaka till marktillståndet – något som inte hade varit möjligt om kvantsprång verkligen var ögonblickliga och slumpmässiga. Istället fann de att sprången tog samma väg mellan de två energinivåerna varje gång, så det var lätt att förutsäga hur man studsade tillbaka dem.

detta visar att, som Schr Bacludinger insisterade, är kvantsteg inte momentana – de tar faktiskt cirka fyra mikrosekunder. ”På ett sätt är hoppen inte hopp”, säger Minev. ”Om du tittar på dessa finare funktioner kan du göra saker som du kanske trodde att du inte kunde göra på grund av dessa små fönster av förutsägbarhet.”

detta kan så småningom vara användbart för att korrigera fel i kvantberäkning, säger Minev. Ett oväntat kvanthopp kan markera ett misstag i beräkningarna, och den här metoden kan göra det möjligt för forskare att upptäcka hoppets början och redogöra för felet, eller till och med vända det mitt i hoppet. ”Detta är ett mycket viktigt vetenskapligt resultat, och dess relevans för framtidens kvantdatorer kommer att bero på hur framtidens kvantdatorer ser ut”, säger Oliver.