Прочутият експеримент на австрийския физик Ервин Шрьодингер с въображаемата котка в кутия е илюстрация на една от определящите характеристики на квантовата механика - непредсказуемото поведение на частиците на квантово ниво.
Това прави работата с квантовите системи невероятно трудна. Но ако можем да направим квантови прогнози? Екип от физици смята, че е възможно. В ново проучване те показват, че могат да предсказват нещо, наречено квантов скок, и дори да обърнат процеса след като започне.
Те казват, че са „спасили“ котката на Шрьодингер.
Котката на Шрьодингер: Имаме котка в затворена кутия. Също така в кутията има източник на радиоактивен разпад, гайгеров брояч и запечатана колба с отрова. Ако гайгеровият брояч открие радиоактивен разпад на един атом, той разбива колбата с отрова, която убива котката.
Няма начин да погледнете вътре, така че не можете да знаете дали котката е жива или мъртва. Тя съществува в състояние и на двете, докато не отворите кутията. В момента, в който го направите, тя е или в едното, или в другото състояние, напълно случайно и вече не може да бъде едновременно в двете.
Цялата тази метафора е за нещо, наречено квантова суперпозиция, при което частица (като атом, или електрон, или фотон) може да съществува в множество енергийни състояния едновременно - до момента, в който я наблюдавате. В този момент се извършва внезапен, случаен преход между енергийните състояния, известен като квантов скок.
Именно този скок физиците вече могат не само да предсказват, но и да манипулират, като умишлено да променят резултата. Изследователите, ръководени от екип от университета в Йейл, правят това с помощта на изкуствени атоми, наречени кубити, които също се използват като основни единици информация в квантовия компютър.
Всеки път, когато измервате кубит, той извършва квантов скок. Те са непредвидими в дългосрочен план, което може да предизвика проблеми в квантовите изчисления.
"Искахме да знаем дали ще бъде възможно да получим предварително предупредителен сигнал, че ще се случи скок веднага", каза физикът Златко Минев от университета Йейл.
Екипът проектира експеримент за индиректно наблюдение на свръхпроводящ кубит, използвайки три микровълнови генератора за облъчване на кубит в запечатан 3D корпус от алуминий.
Това микровълново излъчване превключва кубита между енергийните състояния, друг микровълнов лъч е за мониторинг на кутията. Когато кубитът е в основно състояние, микровълновият лъч произвежда фотони. Внезапното отсъствие на фотони означава, че кубитът е на път да направи квантов скок във възбудено състояние.
Изследването показва, че това не е толкова скок, колкото преход; не е щракване на превключвател, а може би плъзгане на лост.
Следователно друг, перфектно настроен импулс радиация може да обърне квантовия скок, след като е бил открит, изпращайки кубита обратно в неговото основно състояние, или, ако използваме метафората с котката на Шрьодингер, да попречи на котката да умре (възбудено състояние) и да я върне към живот (основно състояние).
Все още има дългосрочна непредсказуемост: например, изследователите не могат да предскажат точно кога ще се извърши квантов скок. Може да е след пет минути или пет часа.
Но след като скокът започне, той винаги следва същия път. При 6,8 милиона скока, наблюдавани от екипа, моделът е бил същият.
"Квантовите скокове на атома са донякъде аналогични на изригването на вулкан", казва Минев. „Те са напълно непредсказуеми в дългосрочен план."
"Въпреки това, с правилното измерване можем със сигурност да открием предварително предупреждение за предстоящо бедствие и да действаме, преди да е настъпило."
Изследването е публикувано в Nature.
