Згідно з поширеними припущеннями, окремі квантові стрибки в атомах відбуваються цілком випадково та непередбачувано – ситуація аналогічна до тієї, в якій опинився «кіт Шредінгера» в знаменитому мисленнєвому експерименті. Але нещодавня розвідка спростовує це твердження. Адже існує певний попереджувальний знак, що повідомляє про квантові стрибки, – а його принаймні в короткостроковій перспективі можна виявити. Врешті, на нього можна навіть впливати, повідомили науковці в журналі «Nature».
Зміну атомних станів, так звані квантові стрибки, дотепер вважали непередбачуваною, як і стан кота Шредінгера. Але тепер вчені виявили їхніх передвісників. Зображення: Kat Stockton.
У квантовому світі частинки можуть перебувати в кількох станах водночас – принаймні доти, доки їхній стан не виміряють, – тоді руйнується інтерференція і квантовий стан змінюється стрибкоподібно (або ні). Аналогія цього – знаменитий мисленнєвий експеримент про кота Шредінгера: тварина, що сидить в закритому ящику, перебуває в невідомому стані між життям і смертю доти, доки хтось не загляне в ящик.
У квантовому світі лише оце заглядання всередину визначає, чи відбувається квантовий стрибок, чи ні, – йдеться про таке явище, коли атомний спін відхиляється або електрон перестрибує на вищий енергетичний рівень. «Ці квантові стрибки вібдуваються, наприклад, тоді, коли вимірюємо кубіт в квантовому комп’ютері», – пояснив Златко Мінев з Єльського університету в Нью-Гейвені та його колеги.
Проблема все ж полягає в тому, що, за поширеною теорією, ці квантові стрибки неможливо передбачити: чи вони відбудуться і коли, залишається нез’ясованим. Для багатьох функцій квантового комп’ютера це суттєвий недолік. Проте деякі теоретичні моделі все ж вказують на те, що може існувати певний передвісник квантових стрибків. Власне це і дослідив Мінев з колегами в експерименті.
Для свого дослідження науковці використали штучний атом, що одночасно міг набувати трьох енергетичних станів: основний стан; так званий темний стан, який неможливо виміряти безпосередньо; і третій – «ясний» допоміжний стан. Якщо на атом діяти мікрохвилями, він переходить у цей стан. Врешті, стрибаючи знову в основний стан, атом випромінює фотон, який можуть зафіксувати фотодетектори.
Тож чи можна в результаті поєднання мікрохвильових даних і фотонних вимірювань з’ясувати, чи відбудеться квантовий стрибок з основного стану до «темного» енергетичного рівня, і якщо так, то коли це трапиться? При цьому важливо було не вимірювати стрибок безпосередньо. З огляду на це вчені цільово шукали зміни в системі, що могли б сповіщали про цей стрибок.
І справді, експеримент засвідчив: передвісники квантових стрибків існують. «Незважаючи на неможливість їхнього передбачення в довгостроковій перспективі, стрибкам з основного стану до «темного» передує щоразу однакова фаза фотонної тиші», – пояснив Мінев зі своєю командою. Якщо ця фаза тривала від двох до 10 мікросекунд, якщо почався так званий період «no-click», неминуче наставав квантовий стрибок, з’ясували вчені.
Тобто квантові стрибки хоч і є випадковими та дискретними подіями, їх все ж можна передбачити. «Cтрибок – безперервний, когерентний і детермінований процес, – пояснили фізики. – Детерміністська природа безперервного "польоту "виявилася для нас несподіваною – це острів передбачуваності в океані непевності».
Інакше кажучи: кота Шредінгера можна застати в момент стрибка між життям і смертю – і, ймовірно, навіть його схопити і повернути назад. Адже в експерименті науковцям вдалося навіть відмотати назад квантовий стрибок – в результаті втручання в цю передстрибкову стадію.
На думку науковців, отримані свідчення відкривають нові перспективи для контрольованого втручання в процеси квантової системи – наприклад, завчасно виявляючи та коригуючи помилки квантового комп’ютера. Це явище вчені порівнюють з виверженням вулкану: «В довгостроковій перспективі його ніяк не передбачити. Але з допомогою правильних вимірювань можна помітити ранні ознаки виверження, що готується, зафіксувати їх і потім вчасно вдатися до певних заходів», – пояснив Мінев.
Nadja Podbregar
Schrödingers Katze im Sprung erwischt
Yale University, 4.06.2019
Z. K. Minev, S. O. Mundhada, S. Shankar, P. Reinhold, R. Gutiérrez-Jáuregui, R. J. Schoelkopf, M. Mirrahimi, H. J. Carmichael & M. H. Devoret
To catch and reverse a quantum jump mid-flight
Nature, 3.06.2019
Зреферувала С. К.