Открытие позволяет исследователям создать систему раннего предупреждения о неизбежных скачках искусственных атомов, содержащих квантовую информацию. Исследование, объявляющее об открытии, появилось в онлайн-выпуске журнала Nature от 3 июня.
Кот Шредингера – это хорошо известный парадокс, используемый для иллюстрации концепции суперпозиции – способности двух противоположных состояний существовать одновременно – и непредсказуемости в квантовой физике.
Идея состоит в том, что кота помещают в герметичный ящик с радиоактивным источником и ядом, который сработает, если атом радиоактивного вещества распадется. Теория суперпозиции квантовой физики предполагает, что до тех пор, пока кто-то не откроет коробку, кошка будет и живой, и мертвой, суперпозиция состояний. Открытие коробки для наблюдения за кошкой приводит к тому, что она резко меняет свое квантовое состояние случайным образом, заставляя ее быть либо мертвой, либо живой.
Квантовый скачок – это дискретное (прерывистое) и случайное изменение состояния при его наблюдении.
Эксперимент, проведенный в лаборатории профессора Йельского университета Мишеля Деворе и предложенный ведущим автором Златко Миневым, впервые рассматривает реальную работу квантового скачка.
Результаты показывают удивительное открытие, которое противоречит устоявшейся точке зрения датского физика Нильса Бора – скачки не являются ни резкими, ни случайными, как считалось ранее.
Для крошечного объекта, такого как электрон, молекула или искусственный атом, содержащий квантовую информацию (известный как кубит), квантовый скачок – это внезапный переход от одного из его дискретных энергетических состояний к другому. При разработке квантовых компьютеров исследователи должны иметь дело со скачками кубитов, которые являются проявлением ошибок в расчетах.
Загадочные квантовые скачки были теоретизированы Бором столетие назад, но не наблюдались до 1980-х годов в атомах.
«Эти скачки происходят каждый раз, когда мы измеряем кубит», – сказал Деворет, специалист по анализу кубита.W.
Бейнеке, профессор прикладной физики и физики Йельского университета и член Йельского квантового института. "Квантовые скачки, как известно, в долгосрочной перспективе непредсказуемы."
«Несмотря на это, – добавил Минев, – мы хотели знать, можно ли получить предварительный предупреждающий сигнал о том, что прыжок вот-вот произойдет."
Минев отметил, что эксперимент был вдохновлен теоретическим предсказанием профессора Говарда Кармайкла из Оклендского университета, пионера квантовой теории траекторий и соавтора исследования.
Помимо фундаментального воздействия, это открытие является потенциальным крупным достижением в понимании квантовой информации и управлении ею. Исследователи говорят, что надежное управление квантовыми данными и исправление ошибок по мере их возникновения является ключевой задачей при разработке полностью полезных квантовых компьютеров.
Команда Йельского университета использовала особый подход для косвенного мониторинга сверхпроводящего искусственного атома с тремя микроволновыми генераторами, облучающими атом, заключенный в трехмерную полость из алюминия. Метод двойного косвенного контроля, разработанный Миневым для сверхпроводящих цепей, позволяет исследователям наблюдать за атомом с беспрецедентной эффективностью.
Микроволновое излучение приводит в движение искусственный атом, наблюдаемый одновременно, что приводит к квантовым скачкам. Крошечный квантовый сигнал этих скачков можно без потерь усилить до комнатной температуры. Здесь их сигнал можно отслеживать в режиме реального времени.
Это позволило исследователям увидеть внезапное отсутствие детектируемых фотонов (фотонов, испускаемых дополнительным состоянием атома, возбужденным микроволнами); это крошечное отсутствие – заблаговременное предупреждение о квантовом скачке.
«Прекрасный эффект, демонстрируемый этим экспериментом, – это увеличение когерентности во время прыжка, несмотря на его наблюдение», – сказал Деворет.
Добавил Minev: "Вы можете использовать это, чтобы не только поймать прыжок, но и обратить его вспять."
По словам исследователей, это важный момент. В то время как квантовые скачки кажутся дискретными и случайными в долгосрочной перспективе, обращение квантового скачка вспять означает, что эволюция квантового состояния частично носит детерминированный, а не случайный характер; скачок всегда происходит одним и тем же предсказуемым образом из его случайной начальной точки.
«Квантовые скачки атома в некоторой степени аналогичны извержению вулкана», – сказал Минев. "Они совершенно непредсказуемы в долгосрочной перспективе.
Тем не менее, при правильном мониторинге мы можем с уверенностью обнаружить заблаговременное предупреждение о надвигающейся катастрофе и принять меры до того, как она произойдет.
Дополнительные соавторы исследования: Роберт Шёлкопф, Шантану Мундхада, Шьям Шанкар и Филип Рейнхольд, все из Йельского университета; Рикардо Гутьеррес-Хореги из Оклендского университета; и Мазьяр Миррахими из Французского института исследований в области компьютерных наук и автоматизации. Исследование поддержано U.S.
Управление армейских исследований. Новое исследование – последний шаг в квантовых исследованиях Йельского университета.
Ученые из Йельского университета находятся в авангарде усилий по разработке первых полностью полезных квантовых компьютеров и проделали новаторскую работу в области квантовых вычислений со сверхпроводящими схемами.