Физики нашли способ «поймать и спасти» кота Шредингера

Кот Шредингера, мысленный эксперимент, который австрийский физик Эрвин Шредингер представил в 1935 году, представляет собой парадокс, который применяет концепцию суперпозиции в квантовой физике к объектам, встречающимся в повседневной жизни.

Идея состоит в том, что кот помещается в запечатанную коробку с радиоактивным источником и ядом, который сработает, если атом радиоактивного вещества распадется. Квантовая физика предполагает, что кот и жив и мертв до тех пор, пока кто-то не откроет коробку и при этом не изменит квантовое состояние.

Теперь команда физиков из Йельского университета и Университета Окленда выяснила, как поймать и спасти знаменитого кота Шредингера, предвидя его прыжки и действуя в режиме реального времени, чтобы спасти его от пресловутой гибели. Это открытие позволяет физикам установить систему раннего предупреждения о неизбежных скачках искусственных атомов, содержащих квантовую информацию.

Для крошечного объекта, такого как электрон или искусственный атом, содержащий квантовую информацию (кубит), квантовый скачок — это внезапный переход из одного его дискретного энергетического состояния в другое.

При разработке квантовых компьютеров исследователи должны иметь дело с скачками кубитов, которые являются проявлением ошибок в расчетах. Квантовые скачки были теоретизированы датским физиком Нильсом Бором сто лет назад, но не наблюдались вплоть до 1980-х годов.

Новые эксперименты впервые изучают фактическую работу квантового скачка. Результаты показывают удивительное открытие, которое противоречит установленной точке зрения Бора — скачки не являются ни резкими, ни случайными, как считалось ранее.

«Эти скачки происходят каждый раз, когда мы измеряем кубит. Известно, что квантовые скачки непредсказуемы в долгосрочной перспективе», — говорят исследователи. «Несмотря на это, мы хотели узнать, можно ли получить предварительный предупредительный сигнал о скором скачке».

Ученые использовали особый подход для косвенного мониторинга сверхпроводящего искусственного атома, когда три микроволновых генератора излучают атом, заключенный в трехмерную полость из алюминия. Метод двойного косвенного мониторинга, разработанный для сверхпроводящих цепей, позволяет исследователям наблюдать атом с беспрецедентной эффективностью.

Микроволновое излучение вызывает возбуждение искусственного атома, что приводит к квантовым скачкам. Крошечный квантовый сигнал этих скачков может быть усилен без потерь до комнатной температуры. Здесь их сигнал можно отслеживать в режиме реального времени.

Это позволило физикам увидеть внезапное отсутствие детектирующих фотонов (фотонов, испускаемых вспомогательным состоянием атома, возбуждаемого микроволнами); это крошечное отсутствие является предварительным предупреждением о квантовом скачке.

«Прекрасный эффект, демонстрируемый этим экспериментом, заключается в увеличении когерентности во время прыжка, несмотря на его наблюдения», — говорят ученые. «Вы можете использовать это, чтобы не только поймать прыжок, но и обратить его вспять».

Это важный момент. В то время как квантовые скачки кажутся дискретными и случайными в долгосрочной перспективе, изменение квантового скачка означает, что эволюция квантового состояния имеет, отчасти, детерминистский, а не случайный характер; прыжок всегда происходит таким же, предсказуемым образом из его случайной начальной точки.

«Квантовые скачки атома в некоторой степени аналогичны извержению вулкана. Они абсолютно непредсказуемы в долгосрочной перспективе. Тем не менее, при правильном мониторинге мы можем с уверенностью обнаружить заблаговременное предупреждение о надвигающейся катастрофе и действовать на нее до того, как она произошла».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.