Fysikere kan forudsige springene fra Schrodingers kat (og endelig redde den)

Yale -forskere har fundet ud af, hvordan man fanger og redder Schrödingers berømte kat, symbolet på kvanteoverlejring og uforudsigelighed, ved at foregribe dens spring og handle i realtid for at redde det fra ordsproglige undergang. I processen, de vælter år med hjørnesten dogme i kvantefysik.

Opdagelsen gør det muligt for forskere at oprette et tidligt varslingssystem for forestående spring af kunstige atomer, der indeholder kvanteinformation. En undersøgelse, der annoncerer opdagelsen, vises i onlineudgaven af ​​tidsskriftet den 3. juni Natur .

Schrödingers kat er et velkendt paradoks, der bruges til at illustrere begrebet superposition – evnen for to modsatte tilstande til at eksistere samtidigt – og uforudsigelighed i kvantefysikken. Ideen er, at en kat placeres i en forseglet æske med en radioaktiv kilde og en gift, der vil blive udløst, hvis et atom af det radioaktive stof henfalder. Superpositionsteorien om kvantefysik antyder, at indtil nogen åbner kassen, katten er både levende og død, en superposition af stater. Ved at åbne kassen for at observere katten får den til at pludselig ændre sin kvantetilstand tilfældigt, tvinger den til enten at være død eller levende.

Kvantespringet er den diskrete (ikke-kontinuerlige) og tilfældige ændring i tilstanden, når den observeres.

Eksperimentet, udført i Yale-professor Michel Devorets laboratorium og foreslået af hovedforfatter Zlatko Minev, kigger ind i den virkelige virkning af et kvantespring for første gang. Resultaterne afslører et overraskende fund, der modsiger den danske fysiker Niels Bohrs etablerede opfattelse - springene er hverken pludselige eller så tilfældige som tidligere antaget.

For en lille genstand, f.eks. En elektron, molekyle, eller et kunstigt atom, der indeholder kvanteinformation (kendt som en qubit), et kvantespring er den pludselige overgang fra en af ​​dens diskrete energitilstande til en anden. I udviklingen af ​​kvantecomputere, forskere er afgørende nødt til at beskæftige sig med springene af qubits, som er manifestationer af fejl i beregninger.

De gådefulde kvantespring blev teoretiseret af Bohr for et århundrede siden, men først observeret i 1980'erne, i atomer.

"Disse spring sker hver gang vi måler en qubit, sagde Devoret, F.W. Beinecke professor i anvendt fysik og fysik ved Yale og medlem af Yale Quantum Institute. "Quantum hop er kendt for at være uforudsigelige i det lange løb."

"Bortset fra det, "tilføjede Minev, "Vi ville vide, om det ville være muligt at få et advarselssignal på forhånd om, at et spring er ved at forekomme med det samme."

Minev bemærkede, at eksperimentet var inspireret af en teoretisk forudsigelse af professor Howard Carmichael fra University of Auckland, en pioner inden for kvantebaneteori og medforfatter af undersøgelsen.

Ud over dens grundlæggende indvirkning, opdagelsen er et potentielt stort fremskridt med hensyn til at forstå og kontrollere kvanteinformation. Forskere siger, at pålidelig styring af kvantedata og korrigering af fejl, når de opstår, er en nøgleudfordring i udviklingen af ​​fuldt anvendelige kvantecomputere.

Yale -teamet brugte en særlig tilgang til indirekte at overvåge et superledende kunstigt atom, med tre mikrobølgeneratorer, der bestråler atomet indesluttet i et 3D-hulrum fremstillet af aluminium. Den dobbelt indirekte overvågningsmetode, udviklet af Minev til superledende kredsløb, giver forskerne mulighed for at observere atomet med en hidtil uset effektivitet.

Mikrobølgestråling omrører det kunstige atom, da det samtidig observeres, resulterer i kvantespring. Det lille kvantesignal fra disse spring kan forstærkes uden tab til stuetemperatur. Her, deres signal kan overvåges i realtid. Dette gjorde det muligt for forskerne at se et pludseligt fravær af detektionsfotoner (fotoner udsendt af en hjælpestatus for atomet, der blev exciteret af mikrobølgerne); dette lille fravær er forhåndsvarselet om et kvantespring.

"Den smukke effekt, som dette eksperiment viser, er øget kohærens under springet, trods dens iagttagelse, "sagde Devoret. Tilføjet Minev, "Du kan udnytte dette til ikke kun at fange springet, men også vende det. "

Dette er et afgørende punkt, sagde forskerne. Mens kvantespring fremstår diskrete og tilfældige i det lange løb, at vende et kvantespring betyder, at udviklingen i kvantetilstanden besidder, delvis, en deterministisk og ikke tilfældig karakter; springet sker altid i det samme, forudsigelig måde fra sit tilfældige udgangspunkt.

"Kvantspring af et atom er noget analogt med udbrud af en vulkan, "Minev sagde." De er fuldstændig uforudsigelige på lang sigt. Ikke desto mindre, med den korrekte overvågning kan vi med sikkerhed opdage et forhåndsvarsel om en forestående katastrofe og handle på den, før den er indtruffet.