Фізики придумали, як врятувати кота Шредінгера

Єдине, що сьогодні вченим точно відомо, це те, що кішки дуже люблять коробки

У 1935 році австрійський фізик Едвін Шредінгер запропонував уявний експеримент, з метою продемонструвати всю абсурдність квантової механіки. Учасником мисленого експерименту став кіт Шредінгера, якого разом з радіоактивною речовиною і спеціальним механізмом, що відкриває колбу з отрутою, поміщають в закритий ящик. У разі розпаду радіоактивного атома – а це може статися в будь-який момент часу, але коли точно – невідомо, механізм відкриє ємність з отрутою і кіт загине. Але дізнатися, розпався радіоактивний атом чи ні, можна тільки заглянувши в коробку. До цього моменту, згідно з принципами квантової фізики, кіт одночасно і живий, і мертвий. Цей стан відомо як «квантова суперпозиція» – сукупність всіх станів, у яких може одночасно перебувати кіт. Але чи можна якось врятувати нещасну тварину? Фізики вважають, що так.

Кіт у коробці

Прийнято вважати, що кіт Шредінгера може перебувати одночасно в двох станах, але дослідники з Єльського університету вважають, що кіт може бути не тільки мертвим чи живим, але його можна врятувати від загибелі. Вся справа у виявленому попереджує знаку для квантових переходів, які колись вважалися миттєвими і непередбачуваними. В результаті, доля кота Шредінгера може бути не тільки передбачена заздалегідь, але навіть звернена назад! Незважаючи на те, що знаменитий кіт Шредінгера – уявний експеримент, в ньому міститься ключова загадка квантової теорії.

Основне припущення квантової механіки полягає в тому, що в дрібних масштабах властивості атомів квантованы, що означає, що частинки приймають дискретні, а не безперервні стану. Наприклад, електрон може перебувати в низкоэнергетическом стані, але якщо додати трохи більше енергії, він не буде повільно переходити в нову високоенергетичне стан. Швидше, в новий стан він перейде непередбачувано. Більш того, якщо не спостерігати за ним, то атом може приймати проміжні стани – він буде перебувати в обох станах одночасно, а потім, як тільки ви помітите, одразу ж перейде в один стан або в інше.

Однак експеримент, проведений в минулому році, схоже, ускладнює деякі з основних ідей квантової теорії. Згідно з результатами дослідження, опублікованого в журналі , фізикам вдалося передбачити вид атомного поведінки, званий квантовим стрибком, і навіть звернути стрибок назад. Експеримент виявився можливим на штучному атомі в лабораторних умовах.

Поки кіт знаходиться в коробці, він одночасно і живий і мертвий

Необхідно відзначити, що подібні дослідження піднімають серйозні питання про природу фізики і можуть мати важливі наслідки для вдосконалення квантових комп'ютерів, робота яких покладається на правила квантової механіки. Детальніше про те, що таке квантовий комп'ютер і як він працює,

Як передбачити квантовий стрибок?

Штучні атоми називають кубітами. Вони застосовуються в якості основних одиниць інформації в квантовому комп'ютері. При кожному вимірі кубіта він виконує квантовий стрибок, але ці стрибки непередбачувані, а всі спроби побудувати квантові обчислення вкрай проблематичні. У спробах врятувати кота Шредінгера, команда з Єльського університету розробила експеримент для непрямого спостереження надпровідного кубіта.

Для проведення експерименту вчені підготували спеціальну установку, що включає три мікрохвильових генератора для опромінення кубіта, які перебували в герметичному тривимірному корпусі з алюмінію. В ході дослідження фізики використовували два спеціально налаштованих мікрохвильових сигналу. Один промінь мікрохвильового світла давав енергію для квантового стрибка, а інший дозволяв науковцям стежити за ситуацією. Виявити квантові стрибки вдалося коли «атом» збуджувався або втрачав енергію. Як The Guardian, дослідники вважають, що «квантові стрибки» – це не стільки різкі скачки між енергетичними рівнями атомів, але поступові переходи, більше схожі на ковзання.

«Квантові стрибки атома в деякій мірі аналогічні вивержень вулкана. Вони абсолютно непередбачувані в довгостроковій перспективі, пишуть автори дослідження

Зазначу, що в звичайних атомах «стану» представлені розташуванням електрона навколо ядра атома, але в цьому штучному атомі стан представлено квантованым властивість, значення якого змінюється по мірі проходження електронами огорожі короби з алюмінію. Технічно ця квантова система – двухкубитный квантовий комп'ютер, наступний тими ж принципами, що й інші квантові системи, включаючи електрони навколо атомів.

Проте, навіть не дивлячись на приголомшливі результати, у дослідників було лише мить до того, як відбувся перехід між станами. Це означає, що вчені не можуть передбачити точнийдень і час переходу стану атома. Але цей рівень передбачення може бути корисний для квантових комп'ютерів. Технологія, заснована на цьому експерименті, може дозволити дослідникам квантових обчислень ідентифікувати помилки прямо по мірі їх виникнення.

Важливо розуміти, що попереду ще багато роботи, перш ніж ці дослідження будуть інтегровані в існуючі квантові комп'ютери. Інші експерти в цій галузі вітали дослідження, а професор Влатко Ведрал з Оксфордського університету охарактеризував його як «дуже красивий експеримент». А як ви думаєте, чи можна врятувати кота Шредінгера? Відповідь