Физики нашли способ спасти кота Шредингера

Долгое время считалось, что квантовые скачки — это совершенно непредсказуемое явление, для иллюстрации которого Эрвин Шредингер даже сочинил знаменитую метафору с котом в коробке. Но теперь ученые уверяют, что нашли способ предсказать результаты скачков и даже повлиять на них — тем самым кот наконец будет спасен!
Физики нашли способ спасти кота Шредингера

Знаменитый мысленный эксперимент австрийского физика Эрвина Шредингера «кошка в коробке» является иллюстрацией одной из определяющих характеристик квантовой механики — непредсказуемого поведения частиц на квантовом уровне.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Эта непредсказуемость делает работу с квантовыми системами невероятно трудной. Но что, если бы мы научились делать «квантовые предсказания»? Команда физиков считает, что это возможно. В новом исследовании они продемонстрировали свою способность предсказывать нечто, называемое квантовым скачком, и даже возможность полностью изменить процесс после его начала.

Фактически, по их собственным заверениям, они «спасли» кота Шредингера

Давайте для начала освежим в памяти то, кто же такой этот самый кот. Эрвин Шредингер придумал сценарий: есть некая закрытая коробка, в которой находится кот. Кроме того, в коробке находится радиоактивный элемент, счетчик Гейгера и запечатанная колба с ядом. Элемента так мало, что за час может распасться только один атом, но с точно такой же вероятностью этого может и не случиться. Если счетчик Гейгера обнаружит распад этого атома изотопа, то разобьет колбу с ядом и кот умрет.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Никакого способа заглянуть внутрь у наблюдателя нет, а потому нельзя наверняка узнать, жив кот или умер. До того момента, пока вы не откроете коробку и не увидите его, он существует в обоих этих состояниях. В тот же момент, когда коробка будет открыта, один из двух вариантов будет выбран совершенно случайно и способность кота быть одновременно и живым, и мертвым исчезнет.

Конечно же, все это – просто забавная метафора для явления, которое физики называют квантовой суперпозицией, при которой частица (атом, электрон или фотон) может существовать в нескольких энергетических состояниях одновременно – вплоть до точки, когда появится наблюдатель. Как только это произойдет, случится внезапный переход между энергетическими состояниями, известный как квантовый скачок.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Раньше ученые могли лишь наблюдать за этим явлением, но теперь физики научились не только предсказывать, но даже манипулировать обстоятельствами так, чтобы сознательно изменить результат скачка в нужную им «сторону». Для этого исследователи, возглавляемые группой из Йельского университета, использовали искусственные атомы, называемые кубитами, которые также применяются в качестве основных единиц информации в квантовом компьютере. Каждый раз, когда вы измеряете кубит, он выполняет квантовый скачок. В долгосрочной перспективе такие скачки непредсказуемы, а потому попытки строить квантовые вычисления были весьма проблематичны.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Поэтому команда разработала эксперимент для косвенного наблюдения сверхпроводящего кубита, используя три микроволновых генератора для облучения кубита в герметичном трехмерном корпусе из алюминия. Это микроволновое излучение переключает кубит между энергетическими состояниями, в то время как другой луч микроволнового излучения контролирует короб. Когда кубит находится в основном состоянии, микроволновый луч производит фотоны. Внезапное отсутствие фотонов означает, что кубит собирается совершить квантовый скачок в возбужденное состояние.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Исследование показало, что это был не столько прыжок, сколько переход; не щелчок переключателя, а, возможно, скольжение рычага. Следовательно, другой, точно синхронизированный импульс излучения может обратить вспять квантовый скачок после того, как он был обнаружен, отправив кубит обратно в его основное состояние; или, опираясь на метафору кота Шредингера, не дать коту умереть и вернуть ее к жизни.

В долгосрочной перспективе непредсказуемость все еще имеет место быть. К примеру, исследователи все еще не могут с точностью предсказать, когда он произойдет – это могут быть как пять минут, так и пять часов. Но как только прыжок начался, он всегда следует по одному и тому же пути. Команда доказала это, сравнив 6 800 000 прыжков – все они были последовательными. «Квантовые скачки атома в некоторой степени аналогичны извержениям вулкана. Они абсолютно непредсказуемы в долгосрочной перспективе. Тем не менее, при правильном наблюдении мы можем с уверенностью обнаружить заблаговременное предупреждение о надвигающейся катастрофе и отреагировать до того, как она произошла», поясняют ученые.