Nowe spojrzenie na skoki kwantowe stanowi wyzwanie dla podstawowych założeń fizyki

Mechanika kwantowa, teoria opisująca fizykę wszechświata w bardzo małych skalach, jest znana z tego, że przeczy zdrowemu rozsądkowi. Rozważmy na przykład sposób, w jaki standardowe interpretacje teorii sugerują zmianę w kwantowej rzeczywistości: przesunięcia z jednego stanu do drugiego rzekomo następują w sposób nieprzewidywalny i natychmiastowy. Innymi słowy, gdyby wydarzenia w naszym znajomym świecie przebiegały podobnie do tych w atomach, spodziewalibyśmy się rutynowo zobaczyć, jak ciasto staje się w pełni upieczonym ciastem bez przechodzenia przez jakiekolwiek pośrednie kroki. Oczywiście codzienne doświadczenie mówi nam, że tak nie jest, ale w mniej dostępnej dziedzinie mikroskopii prawdziwa natura takich „skoków kwantowych” była głównym nierozwiązanym problemem w fizyce.

Jednak w ostatnich dziesięcioleciach postęp technologiczny umożliwił fizykom dokładniejsze zbadanie problemu w starannie zaaranżowanych warunkach laboratoryjnych. Najbardziej fundamentalny przełom nastąpił prawdopodobnie w 1986 r., kiedy naukowcy po raz pierwszy eksperymentalnie zweryfikowali, że skoki kwantowe to rzeczywiste zdarzenia fizyczne, które można obserwować i badać. Od tamtej pory stały postęp techniczny otworzył głębsze perspektywy na tajemnicze zjawisko. Warto zauważyć, że eksperyment opublikowany w 2019 r. obalił tradycyjny pogląd na skoki kwantowe, wykazując, że poruszają się one przewidywalnie i stopniowo po rozpoczęciu – a nawet mogą zostać zatrzymane w połowie drogi.

W tym eksperymencie, przeprowadzonym na Uniwersytecie Yale, zastosowano konfigurację, która pozwoliła naukowcom monitorować przejścia przy minimalnej ingerencji. Każdy skok miał miejsce między dwiema wartościami energii kubitu nadprzewodzącego, małego obwodu zbudowanego tak, aby naśladować właściwości atomów. Zespół badawczy wykorzystał pomiary „działania pobocznego” zachodzącej w obwodzie, gdy system miał niższą energię. To trochę tak, jakbyś wiedział, który program jest odtwarzany na telewizorze w innym pokoju, słuchając tylko określonych słów kluczowych. Ta pośrednia sonda uniknęła jednego z głównych problemów w eksperymentach kwantowych – mianowicie tego, jak uniknąć wpływania na ten sam układ, który się obserwuje. Znane jako „kliknięcia” (na podstawie dźwięku wydawanego przez stare liczniki Geigera podczas wykrywania radioaktywności), pomiary te ujawniły ważną właściwość: skoki do wyższej energii były zawsze poprzedzone zatrzymaniem w „słowach kluczowych”, przerwą w działaniu pobocznym. To ostatecznie pozwoliło zespołowi przewidzieć rozwój skoków, a nawet zatrzymać je w dowolnym momencie.

Teraz nowe badanie teoretyczne zagłębia się w to, co można powiedzieć o skokach i kiedy. Okazuje się, że to pozornie proste i fundamentalne zjawisko jest w rzeczywistości dość złożone.

ZŁAP MNIE JEŚLI POTRAFISZ

Nowe badanie, opublikowane w Physical Review Research, modeluje krok po kroku, od kołyski do grobu ewolucji kwantowego skoku, od początkowego stanu o niższej energii układu, zwanego stanu podstawowego, a następnie drugi gdzie ma wyższą energię, zwaną stanem wzbudzonym i wreszcie przejście z powrotem do stanu podstawowego. To modelowanie pokazuje, że przewidywalne, „dające się złapać” skoki kwantowe muszą mieć swój nie do złapania odpowiednik, mówi autor Kyrylo Snizhko, badacz z tytułem doktora obecnie w Karlsruhe Institute of Technology w Niemczech, który był wcześniej w Weizmann Institute of Science w Izraelu, gdzie badanie przeprowadzono.

Mówiąc konkretnie, przez „nieuchwytny” naukowcy oznaczają, że powrót do stanu podstawowego nie zawsze będzie płynny i przewidywalny. Zamiast tego wyniki badań pokazują, że ewolucja takiego zdarzenia zależy od tego, jak „połączone” urządzenie pomiarowe jest z systemem (kolejna osobliwość sfery kwantowej, która w tym przypadku odnosi się do skali czasowej pomiarów w porównaniu z przejścia). Połączenie może być słabe, w którym to przypadku skok kwantowy może być również przewidywalny poprzez pauzę w kliknięciach z działaniem pobocznym kubitu, w sposób używany w eksperymencie Yale.

System przechodzi przez mieszankę stanu wzbudzonego i podstawowego, zjawisko kwantowe znane jako superpozycja. Ale czasami, gdy połączenie przekroczy pewien próg, ta superpozycja przesunie się w kierunku określonej wartości mieszaniny i mają tendencję do pozostawania w tym stanie. W tym szczególnym przypadku „tego probabilistycznego skoku kwantowego nie można przewidzieć ani odwrócić w trakcie lotu” – wyjaśnia Parveen Kumar, badacz z tytułem doktora w Weizmann Institute i współautor najnowszego badania. Innymi słowy, nawet skoki, dla których czas był początkowo przewidywalny, następowałby po skokach z natury nieprzewidywalnych.

Ale jest jeszcze więcej niuansów, gdy badamy pierwotnie możliwe do złapania skoki. Snizko mówi, że nawet te mają nieprzewidywalny element. Dający się złapać skok kwantowy zawsze będzie przebiegał po „trajektorii” poprzez superpozycję stanów wzbudzonych i podstawowych, ale nie ma gwarancji, że skok kiedykolwiek się zakończy. „W każdym punkcie trajektorii istnieje prawdopodobieństwo, że skok będzie kontynuowany, a także prawdopodobieństwo, że powróci do stanu podstawowego” – mówi Snizhko. „Więc skok może zacząć się dziać, a następnie nagle zostać anulowany. Trajektoria jest całkowicie deterministyczna – ale to, czy system zakończy trajektorię, czy nie, jest nieprzewidywalne.”

To zachowanie pojawiło się w wynikach eksperymentu Yale. Naukowcy stojący za tą pracą nazwali takie możliwe do złapania skoki „wyspami przewidywalności w morzu niepewności”. Ricardo Gutiérrez-Jáuregui, badacz z tytułem doktora na Uniwersytecie Columbia i jeden z autorów badania, zauważa, że ​​„piękno tej pracy polegało na pokazaniu, że w przypadku braku kliknięć system podążał określoną z góry ścieżką do osiągnięcia stanu wzbudzenia w krótkim, ale niezerowym czasie. Jednak urządzenie nadal ma szansę na „kliknięcie”, gdy system przechodzi przez tę ścieżkę, przerywając w ten sposób przejście.”

„QUANTUM PHYSICS IS BROKEN!”

Zlatko Minev, badacz z IBM Thomas J. Watson Research Center i główny autor wcześniejszych badań Yale, zauważa, że ​​nowa praca teoretyczna „wyprowadza bardzo ładny, prosty model i wyjaśnienie zjawiska skoku kwantowego w kontekście kubitu jako funkcja parametrów eksperymentu”. Zebrane razem z eksperymentem w Yale, wyniki „pokazują, że w historii dyskretności, losowości i przewidywalności w mechanice kwantowej jest coś więcej, niż się powszechnie uważa.” W szczególności zaskakująco zniuansowane zachowanie skoków kwantowych – sposób, w jaki można przepowiedzieć skok ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego – sugeruje stopień przewidywalności nieodłącznie związany ze światem kwantowym, którego nigdy wcześniej nie obserwowano. Niektórzy nawet uznaliby to za zabronione, gdyby nie zostało to już potwierdzone eksperymentalnie. Kiedy Minev po raz pierwszy omawiał możliwość przewidywalnych skoków kwantowych z innymi członkami swojej grupy, kolega odpowiedział, krzycząc: „Jeśli to prawda, fizyka kwantowa jest zepsuta!”

„W końcu nasz eksperyment się powiódł i można z niego wywnioskować, że skoki kwantowe są przypadkowe i dyskretne” – mówi Minev. „Jednak w bardziej precyzyjnej skali ich ewolucja jest spójna i ciągła. Te dwa pozornie przeciwstawne punkty widzenia współistnieją.”

Jeśli chodzi o to, czy takie procesy można zastosować do całego świata materialnego – na przykład do atomów poza laboratorium kwantowym – Kumar jest niezdecydowany, w dużej mierze z powodu tego, jak dokładnie określone były warunki badania. „Byłoby interesujące uogólnienie naszych wyników” – mówi. Jeśli wyniki okażą się podobne dla różnych konfiguracji pomiarowych, to takie zachowanie – zdarzenia, które są w pewnym sensie zarówno przypadkowe, jak i przewidywalne, dyskretne, ale ciągłe – mogą odzwierciedlać bardziej ogólne właściwości świata kwantowego.

Tymczasem przewidywania z badania mogą zostać wkrótce sprawdzone. Według Serge’a Rosenbluma, badacza z Instytutu Weizmanna, który nie brał udziału w żadnym z badań, efekty te można zaobserwować dzięki najnowocześniejszym nadprzewodzącym układom kwantowym i są one przeprowadzane w nowym instytucie “new qubits lab”. „To było dla mnie zdumiewające, że zwodniczo prosty system, taki jak pojedynczy kubit, wciąż może ukrywać takie niespodzianki, kiedy go mierzymy” – dodaje.

Przez długi czas skoki kwantowe – najbardziej podstawowe procesy leżące u podstaw wszystkiego w przyrodzie – uważano za prawie niemożliwe do zbadania. Ale postęp technologiczny to zmienia. Kater Murch, profesor nadzwyczajny na Washington University w St. Louis, który nie brał udziału w tych dwóch badaniach, zauważa: „Podoba mi się, jak wydaje się, że eksperyment Yale zmotywował ten artykuł teoretyczny, który odkrywa nowe aspekty problemu fizycznego, który był badany od dziesięcioleci. Moim zdaniem eksperymenty naprawdę pomagają wpływać na sposób myślenia teoretyków o rzeczach, a to prowadzi do nowych odkryć.”

Tajemnica może nie tylko zniknąć, jak mówi Snizhko: „Nie sądzę, aby problem skoków kwantowych został w najbliższym czasie całkowicie rozwiązany; jest zbyt głęboko zakorzeniony w teorii kwantowej. Ale pracując z różnymi pomiarami i skokami, możemy natknąć się na coś praktycznie użytecznego.”

Źródła: Eleni Petrakou

To catch and reverse a quantum jump mid-flight

Quantum Zeno effect appears in stages

ROSENBLUM LAB quantum circuits

Zdjęcia: Getty Images

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x