Кіт Шредінгера у стрибку

Але нещодавні дослідження спростовують це твердження. Адже існує певний попереджувальний знак, що свідчить про квантові стрибки, — і його, принаймні в короткостроковій перспективі, можна виявити. Ба більше, на нього можна впливати.

Зміна атомних станів, так звані квантові стрибки, досі вважалася непередбачуваною, як і стан кота Шредінгера. Але тепер учені виявили їхні передвісники.

У квантовому світі частинки можуть перебувати в кількох станах одночасно — щонайменше доти, доки їхній стан не буде виміряно, — тоді інтерференція руйнується, і квантовий стан змінюється стрибкоподібно (або ні). Аналогія цього — знаменитий мисленнєвий експеримент про кота Шредінгера: тварина, що сидить у закритій коробці, перебуває в невизначеному стані між життям і смертю доти, доки хтось не зазирне всередину.

У квантовому світі лише це «зазирнення» визначає, чи відбудеться квантовий стрибок, чи ні, — йдеться про таке явище, коли атомний спін відхиляється або електрон перескакує на вищий енергетичний рівень. «Ці квантові стрибки відбуваються, наприклад, коли ми вимірюємо кубіт у квантовому комп’ютері», — пояснив Златко Мінєв з Єльського університету в Нью-Хейвені та його колеги.

Проблема полягає в тому, що згідно з поширеною теорією, ці квантові стрибки неможливо передбачити: коли саме вони відбудуться, залишається невідомим. Для багатьох функцій квантового комп’ютера це є значним недоліком. Однак деякі теоретичні моделі все ж вказують на те, що може існувати певний передвісник квантових стрибків. Власне, саме це й досліджував Мінєв із колегами в експерименті.

Для свого дослідження вчені використали штучний атом, який міг одночасно набувати трьох енергетичних станів: основного стану; так званого «темного» стану, який неможливо виміряти безпосередньо; і третього — «ясного» допоміжного стану. Якщо на атом діяти мікрохвилями, він переходить у цей стан. Зрештою, повертаючись в основний стан, атом випромінює фотон, який можуть зафіксувати фотодетектори.

Таким чином, у результаті поєднання мікрохвильових даних і фотонних вимірювань можна з’ясувати, чи відбудеться квантовий стрибок з основного стану до «темного» енергетичного рівня і, якщо так, то коли саме це станеться. При цьому важливо було не вимірювати сам стрибок напряму. Враховуючи це, вчені цілеспрямовано шукали зміни в системі, які могли б сигналізувати про цей стрибок.

І справді, експеримент показав: передвісники квантових стрибків існують. «Попри неможливість передбачити їх у довгостроковій перспективі, стрибкам з основного стану в „темний“ щоразу передує однакова фаза фотонної тиші», — пояснив Мінєв зі своєю командою. Якщо ця фаза тривала від двох до десяти мікросекунд, якщо починався так званий період «no-click», то неминуче наступав квантовий стрибок, з’ясували науковці.

Отже, хоча квантові стрибки є випадковими й дискретними подіями, їх усе ж можна передбачити. «Стрибок — це неперервний, когерентний і детермінований процес, — зазначили фізики. — Детермінована природа неперервного „польоту“ стала для нас несподіванкою — це острівець передбачуваності в океані невизначеності».

Інакше кажучи: кота Шредінгера можна застати в момент стрибка між життям і смертю — і, ймовірно, навіть схопити його й повернути назад. Адже в експерименті вченим вдалося навіть відмотати квантовий стрибок назад — шляхом втручання в цю передстрибкову фазу.

На думку науковців, отримані результати відкривають нові перспективи для контрольованого втручання в процеси квантових систем — наприклад, завчасно виявляючи й коригуючи помилки квантового комп’ютера. Це явище дослідники порівнюють із виверженням вулкана: «У довгостроковій перспективі його неможливо передбачити. Але за допомогою правильних вимірювань можна зафіксувати ранні ознаки підготовки до виверження, вчасно виявити їх і вжити відповідних заходів», — пояснив Мінєв.

Додаткові факти

Значення відкриття для квантових технологій

Передбачуваність квантових стрибків є важливим досягненням для розробки більш стабільних квантових комп’ютерів. У квантових системах помилки можуть виникати внаслідок неконтрольованих змін у станах кубітів. Якщо ці зміни можна передбачати, їх можна також виправляти в режимі реального часу, що значно підвищить надійність обчислень.

Підтвердження теорії Бориса Чірікова

Це дослідження може бути пов’язане з роботою Бориса Чірікова, який ще в 1970-х роках запропонував ідею детермінованого хаосу у квантових системах. Він припустив, що навіть у хаотичних на перший погляд системах можуть бути закономірності, які дозволяють передбачати їхню поведінку.

Можливість активного втручання в квантові процеси

Якщо вдасться не лише передбачати квантові стрибки, а й впливати на них, це відкриє шлях до нових методів керування квантовими системами. Наприклад, можна буде запобігати небажаним змінам станів кубітів, що є критично важливим для створення потужних квантових процесорів.

Зв'язок із квантовою механікою та парадоксом вимірювання

Дослідження ще раз підкреслює один із центральних аспектів квантової механіки: акт вимірювання впливає на стан системи. У класичній фізиці об’єкти існують незалежно від того, спостерігаємо ми їх чи ні, а в квантовій — процес спостереження змінює саму реальність.

Практичне застосування в квантовій криптографії

Квантові стани можуть використовуватися для надзвичайно захищеного шифрування даних. Якщо вчені навчаться прогнозувати й контролювати квантові стрибки, це може привести до ще більш ефективних методів квантової криптографії, яка вже зараз активно розвивається.

Історія терміна «квантовий стрибок»

Цікаво, що термін «квантовий стрибок» використовується не лише у фізиці, а й у повсякденному житті як метафора для раптових змін і проривів. Однак у науковому контексті це поняття має чітке значення, яке поступово стає більш передбачуваним завдяки новим дослідженням.

Схожі дослідження які стосуються передбачення та контролю квантових стрибків

Дослід Франка–Герца

Цей експеримент, проведений у 1914 році, підтвердив існування дискретних енергетичних рівнів в атомах. Електрони, проходячи через ртуть, втрачали енергію порціями, що свідчило про квантові стрибки між енергетичними рівнями.

Дослід Штерна–Герлаха

У 1922 році цей експеримент продемонстрував квантову природу спіну електронів. Атоми срібла, проходячи через неоднорідне магнітне поле, розділялися на два пучки, що відповідало двом можливим спіновим станам, підтверджуючи квантові стрибки спіну.

Сучасні дослідження квантових обчислень

У розвитку квантових комп'ютерів вивчаються методи контролю квантових станів кубітів. Наприклад, компанії Google та Intel працюють над стабілізацією квантових систем для підвищення надійності обчислень.

Виявлення нових квантових частинок

Нещодавно фізики виявили дробові екситони — новий тип квантових частинок, які кидають виклик традиційному розумінню квантової механіки. Це відкриття може сприяти розвитку нових квантових технологій.

Дослідження квантової реальності

Останні дослідження підтвердили, що класичний світ природно виникає з різних квантових систем без особливих умов, що підкреслює важливість розуміння квантових стрибків для пояснення реальності.