Квант-вбивця. Фізики навчилися керувати долею кота з експерименту Шредінгера

4 червня 2019, 21:00

Вчені з Єльського університету виміряли квантову суперпозицію кубіта і тим самим знайшли відповідь на головне питання з відомого експерименту Шредінгера, — чи живий кіт у коробці?

Квантова суперпозиція є одним з основних принципів квантової механіки, згідно з яким частки на квантовому рівні поводяться непередбачувано і знаходяться у двох станах одночасно до того моменту, поки ми не виміряємо одну з них.

Відео дня

Найвідомішим прикладом квантової суперпозиції є так званий кіт Шредінгера — експеримент австрійського фізика Ервіна Шредінгера.

Суть експерименту в наступному: в коробці з умовним котом знаходиться радіоактивний елемент і колба з отрутою, яка може розбитися, якщо радіоактивний елемент розпадеться. Якщо колба розіб'ється — кіт помре, але ми не знаємо напевно, чи розпадеться атом радіоактивного елемента, і ніхто, включаючи кота, не може на це вплинути. Отже, кіт і живий, і мертвий одночасно, що й називається квантовою суперпозицією.

CC
Фото: CC

Визначити точний стан кота ми зможемо тільки після того, як відкриємо коробку. Здавалося б, все гранично просто, і фізика тут взагалі ні до чого. Але насправді стан кота Шредінгера в квантовому світі визначає саме факт нашого спостереження. Це явище називається квантовим стрибком, через який вимір стану однієї квантової частинки автоматично визначає стан іншої.

Головна проблема квантової суперпозиції та квантового стрибка в тому, що частки поводяться непередбачувано, і ми ніяк не можемо на них вплинути ані до вимірювання їхнього стану, ані після.

Однак, фізики з Єльського університету днями опублікували дослідження, згідно з яким вони навчилися передбачати стан частки під час квантового стрибка. Як пише Gizmodo, для експерименту вони використовували штучні атоми — кубіти, які є найменшим елементом для зберігання інформації в квантовому комп’ютері.

The Next Web
Фото: The Next Web

Якщо стан звичайного атома визначається позицією електрона навколо його ядра, то стан штучного атома даному випадку — кубіта) визначається за допомогою квантової позиції, яка змінюється при проходженні ізолюючого шару.

Щоб створити такий ізолюючий шар вчені розробили надпровідний ланцюг, по центру якого був так званий джозефсонівський контакт — з'єднання, що розділяє два надпровідника. Технічно, подібна система є двохкубітним квантовим комп’ютером, але її головна мета — виміряти стан кубітів.

Для цього вчені налаштували два радіоактивних сигнали: перший виділяє необхідну кількість енергії для того, щоб штучний атом перейшов від спокійного стану в збуджений, а другий вимірює енергію в ланцюзі під час цього переходу.

Як відомо, квантовий стрибок може супроводжуватися випромінюванням або поглинанням фотонів — найдрібніших частинок світла. За допомогою цього вчені встановили, що видимий фотонний сигнал є індикатором спокійного стану штучного атома. Відсутність фотонного сигналу, навпаки, означає, що квантовий стан кубіта перейшов у порушений.

Активація мікрохвильових імпульсів у певний час в такому пристрої, по суті, означає вимір квантового стану атома до квантового стрибка і, як наслідок, після визначення його суперпозиції.

Таким чином, вчені навчилися передбачати поведінку атома під час квантового стрибка і навіть управляти його квантовим станом. Для згаданого кота Шредінгера це означає, що ми змогли б визначити його долю, вимірявши первинний квантовий стан, а не просто дізнатися живий він чи мертвий фактом свого спостереження.

LiveInternet
Фото: LiveInternet

Проте, в явищі квантової суперпозиції досі залишається занадто багато невідомих змінних. Зокрема, вчені досі не можуть визначити, коли саме відбудеться квантовий стрибок, — через кілька миттєвостей після активування випромінювання, або через кілька годин.

Проведений експеримент несе найбільшу цінність для розвитку сфери квантових комп’ютерів, оскільки система визначення переходів між квантовими станами кубітів дозволить вченим керувати квантовою інформацією і виправляти випадкові помилки, які часто виникають у поки що примітивних квантових комп’ютерах.

«Квантові стрибки атома певною мірою аналогічні виверженню вулкана. Вони абсолютно непередбачувані в довгостроковій перспективі. Проте, при правильному моніторингу ми можемо з точністю виявити завчасне попередження про катастрофу, що насувається і вжити заходів до її виникнення», — говорить фізик з Єльського університету Златко Мінєв, який також є співробітником компанії IBM, де розробляють квантові комп’ютери.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Показати ще новини
Радіо НВ
X