Физики нашли способ спасти кота Шредингера

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.

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.

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.

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.

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.