Ограничение скорости действует и в квантовом мире

Даже в мире мельчайших частиц со своими особыми правилами все не может идти бесконечно быстро. Физики из Боннского университета показали, что такое предел скорости для сложных квантовых операций.

В исследовании также приняли участие ученые из Массачусетского технологического института, университетов Гамбурга, Кельна и Падуи, а также исследовательского центра Юлиха. Полученные результаты важны, в частности, для реализации квантовых компьютеров. Они публикуются в журнале Physical Review X и освещаются в журнале Physics Американского физического общества.

Предположим, вы наблюдаете за официантом, который в канун Нового года должен подать целый поднос бокалов с шампанским всего за несколько минут до полуночи. Он мчится от гостя к гостю на предельной скорости. Благодаря своей технике, отточенной за долгие годы работы, он тем не менее умудряется не пролить ни единой капли драгоценной жидкости.

В этом ему помогает маленькая хитрость: пока официант ускоряет шаг, он слегка наклоняет поднос, чтобы шампанское не выплеснулось из бокалов. На полпути к столу он наклоняет его в противоположную сторону и замедляет ход. Только когда он полностью останавливается, он снова держит его вертикально.

Атомы в чем-то похожи на шампанское. Их можно описать как волны материи, которые ведут себя не как бильярдный шар, а скорее как жидкость. Поэтому тот, кто хочет как можно быстрее перенести атомы из одного места в другое, должен быть таким же искусным, как официант в канун Нового года.

«И даже тогда существует ограничение скорости, которое этот транспорт не может превысить», — объясняет доктор Андреа Альберти, возглавлявший исследование в Институте прикладной физики Боннского университета.

Атом цезия в качестве заменителя шампанского

В своем исследовании ученые экспериментально изучили, где именно лежит этот предел. Они использовали атом цезия в качестве заменителя шампанского и два лазерных луча, идеально наложенных друг на друга, но направленных друг против друга, как поднос. Эта суперпозиция, называемая физиками интерференцией, создает стоячую волну света: последовательность вершин и впадин, которые изначально не двигаются. «Мы загрузили атом в одну из этих впадин, а затем привели в движение стоячую волну — это сместило положение самой впадины», — говорит Андреа Альберти. — Наша цель состояла в том, чтобы доставить атом в нужное место в кратчайшие сроки, не выплескивая его, так сказать, из впадины.»

То, что в микромире существует предел скорости, уже теоретически доказали два советских физика — Леонид Мандельштам и Игорь Тамм более 60 лет назад. Они показали, что максимальная скорость квантового процесса зависит от энергетической неопределенности, то есть от того, насколько «свободна» манипулируемая частица по отношению к своим возможным энергетическим состояниям: чем больше у нее энергетической свободы, тем она быстрее.

В случае переноса атома, например, чем глубже впадина, в которую попадает атом цезия, тем больше разбросаны энергии квантовых состояний там, и в конечном счете тем быстрее может быть перенесен атом. Нечто подобное можно увидеть на примере официанта: если он наполняет бокалы только наполовину, он меньше рискует, что шампанское прольется, когда он ускоряется и замедляется. Однако энергетическая свобода частицы не может быть увеличена произвольно. «Мы не можем сделать нашу впадину бесконечно глубокой — это будет стоить нам слишком много энергии», — подчеркивает Альберти.

Предел скорости Мандельштама и Тамма — это фундаментальный предел. Однако достичь его можно только при определенных обстоятельствах, а именно в системах с двумя квантовыми состояниями.

«В нашем случае, например, это происходит, когда точка отправления и пункт назначения находятся очень близко друг к другу», — объясняет физик. -Тогда волны материи атома в обоих местах накладываются друг на друга, и атом может быть доставлен прямо к месту назначения за один раз, то есть без каких-либо промежуточных остановок — почти как телепортация на звездолете «Энтерпрайз» из «Звездного пути».»

Однако ситуация иная, когда расстояние увеличивается до нескольких десятков длин волн материи, как в боннском эксперименте. На такие расстояния прямая телепортация невозможна. Вместо этого частица должна пройти через несколько промежуточных состояний, чтобы достичь своего конечного пункта назначения: двухуровневая система становится многоуровневой системой.

Исследование показывает, что к таким процессам применим более низкий предел скорости, чем предсказанный двумя советскими физиками: он определяется не только энергетической неопределенностью, но и числом промежуточных состояний. Таким образом, работа улучшает теоретическое понимание сложных квантовых процессов и их ограничений.

Открытия физиков важны не в последнюю очередь для квантовых вычислений. Вычисления, которые возможны с квантовыми компьютерами, в основном основаны на манипуляции многоуровневыми системами. Однако квантовые состояния очень хрупки. Они длятся лишь короткий промежуток времени, который физики называют временем когерентности.

Поэтому важно упаковать как можно больше вычислительных операций в это время. «Наше исследование показывает максимальное количество операций, которые мы можем выполнить за время когерентности», — объясняет Андреа Альберти. «Это позволяет оптимально использовать его.»