Наука11 юли 2020

Физиците измислиха как да спасят котката на Шрьодингер

Множество експерименти доказаха, че квантовият скок може да бъде предвиден

Снимка: wikimedia.org

Известният мисловен експеримент с черната котка в кутия на австрийския физик Ервин Шрьодингер е илюстрация на една от определящите характеристики на квантовата механика - непредсказуемото поведение на частиците на квантово ниво. Това прави работата с квантовите системи невероятно трудна; но какво ще стане, ако можем да направим квантови прогнози? Екип от физици смята, че това е възможно.

В проучване, публикувано миналата година, те заявиха, че могат да предсказват квантовия скок и дори да обърнат процеса, след като вече е започнал. Според тях те са „спасили“ котката на Шрьодингер.

Но нека си припомним коя беше котката на Шрьодингер.

В затворена кутия има котка. В кутията има източник на радиоактивен разпад, брояч на Гейгер и запечатана колба с отрова. Ако броячът на Гейгер открие радиоактивен разпад на един атом, колбата с отрова се чупи и тя убива котката. Няма начин да се надникне вътре, така че да е ясно дали котката е жива или мъртва. Тя съществува и в двете състояния, докато не отворите кутията. В момента, в който го направите, тогава ще е факт или едното, или другото, напълно произволно, но няма как да е едновременно и двете.

Целият този въображаем парадокс е метафора за нещо, наречено квантова суперпозиция, при което частица (като атом, електрон или фотон) може да съществува в множество енергийни състояния едновременно - до момента, в който започнете да я наблюдавате. След като започне наблюдението, внезапният случаен преход между енергийните състояния е известен като квантов скок.

И именно този скок физиците вече са успели не просто да предскажат, но и да манипулират, умишлено променяйки резултата. Изследователите, водени от екип от Йейлския университет, направили това с изкуствени атоми, наречени кубити, които се използват като основни единици на информация в квантовия компютър.

Всеки път, когато измервате кубит, той извършва квантов скок. Те са непредсказуеми в дългосрочен план, което може да доведе до проблеми при квантовите изчисления.

"Искахме да разберем дали би било възможно да се получи предупредителен сигнал, че скокът ще настъпи незабавно", казва физикът Златко Минев от Йейлския университет.

Екипът проектирал експеримент за косвено наблюдение на свръхпроводящ кубит, използвайки три микровълнови генератора за облъчване на кубита в запечатан 3D корпус от алуминий. Това микровълново излъчване движи кубита между различните енергийни състояния, докато друг лъч микровълново излъчване следи кутията.

Внезапното отсъствие на фотони означава, че кубитът е на път да направи квантов скок във възбудено състояние. Друг, перфектно синхронизиран импулс на излъчване може да обърне квантовия скок, след като бъде открит, като изпрати кубита обратно в неговото основно състояние. С други думи по този начин не се позволява на котката на Шрьодингер да умре и тя се връща към живота.

Все още има дългосрочна непредсказуемост; например, изследователите не могат да предвидят точно кога ще се случи квантов скок. Може да е след пет минути или пет часа. Но след като скокът е започнал, той винаги следва един и същ път. При над 6,8 милиона скока, наблюдавани от екипа, моделът бил последователен.

"Квантовите скокове на атом са донякъде аналогични на изригването на вулкан", каза Минев. „Те са напълно непредсказуеми в дългосрочен план. "Въпреки това, с правилния мониторинг можем със сигурност да открием предварително предупреждение за предстоящо бедствие и да действаме по него, преди да е настъпило" – допълва той.

Изследването е публикувано в Nature.

Източник