En hastighedsgrænse gælder også i kvanteverdenen

Selv i de mindste partiklers verden med deres egne specielle regler, tingene kan ikke gå uendeligt hurtigt. Fysikere ved universitetet i Bonn har nu vist, hvad hastighedsgrænsen er for komplekse kvanteoperationer. Undersøgelsen involverede også forskere fra MIT, universiteterne i Hamborg, Köln og Padova, og Jülich Research Center. Resultaterne er vigtige for realiseringen af ​​kvantecomputere, blandt andet. De er publiceret i det prestigefyldte tidsskrift Fysisk gennemgang X , og dækket af Physics Magazine of the American Physical Society.

Antag, at du observerer en tjener (lockdownet er allerede historie), som nytårsaften skal servere en hel bakke champagneglas kun få minutter før midnat. Han skynder sig fra gæst til gæst i topfart. Takket være hans teknik, perfektioneret gennem mange års arbejde, han formår ikke desto mindre ikke at spilde en eneste dråbe af den dyrebare væske.

Et lille trick hjælper ham til at gøre dette:Mens tjeneren accelererer sine skridt, han vipper bakken lidt, så champagnen ikke vælter ud af glassene. Halvvejs til bordet, han vipper den i den modsatte retning og sænker farten. Først når han er gået helt i stå, holder han den oprejst igen.

Atomer ligner på nogle måder champagne. De kan beskrives som bølger af stof, som ikke opfører sig som en billardkugle, men mere som en væske. Enhver, der vil transportere atomer fra et sted til et andet så hurtigt som muligt, skal derfor være lige så dygtige som tjeneren nytårsaften. "Og selv da der er en hastighedsgrænse, som denne transport ikke må overskride, " forklarer Dr. Andrea Alberti, som ledede denne undersøgelse ved Institut for Anvendt Fysik ved Bonn Universitet.

Cæsiumatom som champagneerstatning

I deres undersøgelse, forskerne har eksperimentelt undersøgt præcis, hvor denne grænse går. De brugte et cæsiumatom som en champagneerstatning og to laserstråler perfekt overlejret, men rettet mod hinanden som en bakke. Denne superposition, kaldet interferens af fysikere, skaber en stående bølge af lys:en sekvens af bjerge og dale, der i begyndelsen ikke bevæger sig. "Vi læssede atomet ind i en af ​​disse dale, og satte så den stående bølge i gang - dette fortrængte selve dalens position, " siger Alberti. "Vores mål var at få atomet til målstedet på kortest mulig tid, uden at det væltede ud af dalen, så at sige."

Det faktum, at der er en hastighedsgrænse i mikrokosmos, blev allerede teoretisk demonstreret af to sovjetiske fysikere, Leonid Mandelstam og Igor Tamm for mere end 60 år siden. De viste, at den maksimale hastighed af en kvanteproces afhænger af energiusikkerheden, dvs. hvor "fri" den manipulerede partikel er med hensyn til dens mulige energitilstande:jo mere energisk frihed har den, jo hurtigere er det. I tilfælde af transport af et atom, for eksempel, jo dybere dalen er, hvori cæsiumatomet er fanget, jo mere spredt energierne af kvantetilstandene i dalen er, og i sidste ende jo hurtigere kan atomet transporteres. Noget lignende kan ses i eksemplet med tjeneren:Hvis han kun fylder glassene halvt (til gæsternes ærgrelse), han løber mindre risiko for, at champagnen vælter, når han accelererer og bremser. Imidlertid, en partikels energetiske frihed kan ikke øges vilkårligt. "Vi kan ikke gøre vores dal uendeligt dyb - det ville koste os for meget energi, " understreger Alberti.

Strål mig op, Scotty!

Hastighedsgrænsen for Mandelstam og Tamm er en grundlæggende grænse. Imidlertid, man kan kun nå det under visse omstændigheder, nemlig i systemer med kun to kvantetilstande. "I vores tilfælde, for eksempel, dette sker, når udgangspunktet og destinationen er meget tæt på hinanden, " forklarer fysikeren. "Så overlapper atomets stofbølger på begge steder, og atomet kunne transporteres direkte til dets destination på én gang, det er, uden nogen stop imellem - næsten som teleporteringen i Starship Enterprise of Star Trek."

Imidlertid, situationen er anderledes, når afstanden vokser til flere snesevis af stofbølgebredder som i Bonn-eksperimentet. For disse afstande, direkte teleportering er umulig. I stedet, partiklen skal igennem flere mellemtilstande for at nå sin endelige destination:To-niveau-systemet bliver til et multi-niveau system. Undersøgelsen viser, at der gælder en lavere hastighedsgrænse for sådanne processer end den, der er forudsagt af de to sovjetiske fysikere:Den bestemmes ikke kun af energiusikkerheden, men også ved antallet af mellemtilstande. På denne måde arbejdet forbedrer den teoretiske forståelse af komplekse kvanteprocesser og deres begrænsninger.

Fysikernes resultater er vigtige ikke mindst for kvanteberegning. De beregninger, der er mulige med kvantecomputere, er for det meste baseret på manipulation af multi-level-systemer. Kvantetilstande er meget skrøbelige, selvom. De varer kun et kort stykke tid, som fysikere kalder sammenhængstid. Det er derfor vigtigt at pakke så mange beregningsoperationer som muligt ind i denne tid. "Vores undersøgelse afslører det maksimale antal operationer, vi kan udføre i sammenhængstiden, Alberti forklarer. "Dette gør det muligt at udnytte det optimalt."