Фізики знайшли спосіб врятувати кота Шредінгера

Довгий час вважалося, що квантові стрибки - це абсолютно непередбачуване явище, для ілюстрації якого Ервін Шредінгер навіть визнав знамениту метафору з котом в коробці. Але тепер вчені запевняють, що знайшли спосіб передбачити результати стрибків і навіть вплинути на них - тим самим кіт нарешті буде врятований!

Знаменитий уявний експеримент австрійського фізика Ервіна Шредінгера «кішка в коробці» є ілюстрацією однієї з визначальних характеристик квантової механіки - непередбачуваної поведінки частинок на квантовому рівні.

Ця непередбачуваність робить роботу з квантовими системами неймовірно важкою. Але що, якби ми навчилися робити «квантові передбачення»? Команда фізиків вважає, що це можливо. У новому дослідженні вони продемонстрували свою здатність передбачати щось, зване квантовим стрибком, і навіть можливість повністю змінити процес після його початку.

Фактично, за їхніми власними запевненнями, вони «врятували» кота Шредінгера

Давайте для початку освіжимо в пам'яті те, хто ж такий цей самий кіт. Ервін Шредінгер придумав сценарій: є якась закрита коробка, в якій знаходиться кіт. Крім того, в коробці знаходиться радіоактивний елемент, лічильник Гейгера і запечатана колба з отрутою. Елемента так мало, що за годину може розпастися тільки один атом, але з точно такою ж ймовірністю цього може і не статися. Якщо лічильник Гейгера виявить розпад цього атома ізотопу, то розіб'є колбу з отрутою і кіт помре.

Ніякого способу зазирнути всередину у спостерігача немає, а тому не можна напевно дізнатися, живий кіт або помер. До того моменту, поки ви не відкриєте коробку і не побачите його, він існує в обох цих станах. У той же момент, коли коробка буде відкрита, один з двох варіантів буде обраний абсолютно випадково і здатність кота бути одночасно і живим, і мертвим зникне.

Звичайно ж, все це - просто кумедна метафора для явища, яке фізики називають квантовою суперпозицією, при якій частинка (атом, електрон або фотон) може існувати в декількох енергетичних станах одночасно - аж до точки, коли з'явиться спостерігач. Як тільки це станеться, станеться раптовий перехід між енергетичними станами, відомий як квантовий стрибок.

Раніше вчені могли лише спостерігати за цим явищем, але тепер фізики навчилися не тільки передбачати, але навіть маніпулювати обставинами так, щоб свідомо змінити результат стрибка в потрібний їм «бік». Для цього дослідники, очолювані групою з Єльського університету, використовували штучні атоми, звані кубітами, які також застосовуються в якості основних одиниць інформації в квантовому комп'ютері. Кожного разу, коли ви вимірюєте кубіт, він виконує квантовий стрибок. У довгостроковій перспективі такі стрибки непередбачувані, а тому спроби будувати квантові обчислення були досить проблематичні.

Тому команда розробила експеримент для непрямого спостереження надпровідного кубіту, використовуючи три мікрохвильові генератори для опромінення кубіту в герметичному тривимірному корпусі з алюмінію. Це мікрохвильове випромінювання перемикає кубіт між енергетичними станами, тоді як інший промінь мікрохвильового випромінювання контролює порожній. Коли кубіт знаходиться в основному стані, мікрохвильовий промінь виробляє фотони. Раптова відсутність фотонів означає, що кубіт збирається здійснити квантовий стрибок у збуджений стан.

Дослідження показало, що це був не стрибок, скільки перехід; не клацання перемикача, а, можливо, ковзання важеля. Отже, інший, точно синхронізований імпульс випромінювання може звернути назад квантовий стрибок після того, як він був виявлений, відправивши кубит назад в його основний стан; або, спираючись на метафору кота Шредінгера, не дати коту померти і повернути її до життя.

У довгостроковій перспективі непередбачуваність все ще має місце бути. Наприклад, дослідники все ще не можуть з точністю передбачити, коли він станеться - це можуть бути як п'ять хвилин, так і п'ять годин. Але як тільки стрибок почався, він завжди слідує по одному і тому ж шляху. Команда довела це, порівнявши 6 800 000 стрибків - всі вони були послідовними. "Квантові стрибки атома в деякій мірі аналогічні виверженням вулкана. Вони абсолютно непередбачувані в довгостроковій перспективі. Тим не менш, при правильному спостереженні ми можемо з упевненістю виявити завчасне попередження про наближення катастрофи і відреагувати до того, як вона сталася ", пояснюють вчені.