Квантовый скачок: можно ли спасти кота Шрёдингера? 0:00
Эксперимент Эрвина Шрёдингера, ставший классикой теоретической физики, описывает парадоксальную ситуацию: пока наблюдатель не заглянет в коробку, кот находится в суперпозиции — одновременно жив и мертв. Традиционно считалось, что квантовый скачок — внезапный переход атома из одного энергетического состояния в другое — является абсолютно непредсказуемым и мгновенным событием. Однако, согласно недавним исследованиям физика из Йельского университета Златко Минева (Zlatko Minev), это представление неполно. Минев и его коллеги продемонстрировали, что при условии «почти идеального» мониторинга квантовую систему можно отслеживать в реальном времени, обнаруживая «предупреждающие сигналы» о грядущем скачке, что открывает путь к управлению квантовыми процессами.
Противостояние титанов: Бор против Шрёдингера 6:09
В начале XX века физики разделились во мнениях относительно природы квантовых переходов:
- Нильс Бор: Считал, что атом обладает дискретными уровнями энергии, а переход между ними происходит мгновенно и случайно.
- Эрвин Шрёдингер: Решительно отвергал идею «скачков», так как его знаменитое уравнение описывает эволюцию системы как непрерывный, плавный и когерентный процесс.
По словам Минева, десятилетиями наука придерживалась версии Бора, так как квантовые скачки, предсказанные им, были экспериментально подтверждены лишь в 1986 году. Тем не менее, современное исследование Минева доказывает, что обе стороны были отчасти правы: на длинных временных интервалах скачки действительно выглядят дискретными и случайными, но на сверхкоротких — они проявляются как непрерывный процесс, доступный для наблюдения.
Искусственный атом и «вулкан» квантового мира 11:50
Для проверки своей гипотезы исследователи использовали искусственный атом — наноскопическую печатную схему, состоящую из миллиардов атомов алюминия и кислорода. При охлаждении до температуры в 10 000 раз ниже абсолютного нуля эти структуры начинают функционировать как единый квантовый объект, позволяя ученым гибко настраивать их электромагнитные свойства.
Сам процесс наблюдения ученые сравнивают с мониторингом вулкана:
- Извержение (квантовый скачок) невозможно предсказать в долгосрочной перспективе.
- Однако при наличии систем высокоточного мониторинга можно обнаружить ранние признаки приближающейся катастрофы.
- Используя микроволновое излучение, команда Минева отслеживала состояние системы: «яркое» свечение означало, что атом находится в основном (живом) состоянии, а исчезновение фотонов сигнализировало о переходе в «темное» (мертвое) состояние.
Минев утверждает, что, зафиксировав отсутствие фотонов на интервале в несколько микросекунд, экспериментаторы получают «окно предсказуемости». Это позволяет вмешаться в динамику системы и с помощью управляющего воздействия предотвратить нежелательный переход.
Будущее квантовых вычислений 23:51
Открытие имеет фундаментальное значение для развития квантовых компьютеров. Главная проблема существующих систем — шумы и ошибки, возникающие из-за неконтролируемых квантовых скачков. По мнению Минева, методы вмешательства, разработанные в ходе эксперимента, помогут реализовать так называемую «коррекцию ошибок». Ученые надеются, что в будущем удастся обнаруживать и предотвращать ошибки до того, как они полностью проявятся и разрушат результат вычислений.
Это исследование также возвращает к вопросу о природе квантового состояния. Минев полагает, что отслеживаемое в реальном времени состояние (так называемое «условное квантовое состояние») является ближайшим аналогом объективного описания системы в классической физике, что может изменить наш подход к формулировке законов квантовой механики.
