Физики засняли квантовый прыжок

 

eTz-EBylDPk1

Квантовые системы оказались столь же «ленивы», что и классические: для них также применим принцип наименьшего действия.

Верхнее фото: индивидуальные траектории в квантовом пространстве состяний. Изображение: Kater Murch

 

Американским ученым удалось проследить эволюцию квантовой системы между двумя квантовыми состояниями, что до недавнего времени считалось практически невозможным. Исследование было опубликовано в Nature, наиболее понятно о нем написано на сайте университета Вашингтона в Сент-Луисе.

Измерения, которые проводили ученые, были устроены следующим образом. В роли квантовой системы, «искуственного атома», выступала охлажденная почти до абсолютного нуля сверхпроводящая катушка (на таких системах строились первые реализации кубитов, в прошлом году ее реализовали в МИСИСе). Система могла находится в двух состояниях: базовом и возбужденным.

Физиков интересовало, каким путем из одного состояния система может «перепрыгнуть» в другое. Обычные (они же «сильные») измерения, которые, например, имеются в виду в мысленном эксперименте Гейзенберга, сделать этого не позволяют, так как попытка измерения квантовой системы приводит к ее разрушению. Это явление называется коллапс волновой функции. В сильных измерениях физики видят только результат — то или иное финальное состояние системы, которое получается с той или иной вероятностью.

Увидеть не только результат, но и «процесс», ученым удалось за счет использования так называемых слабых измерений, которые, хотя и несут информацию о квантовой системе, ее не разрушают.

В эксперименте авторов слабые измерения проводились с помощью микроволновых фотонов. Ими облучали описанную систему, которая при этом находилась в коробке-микроволновом резонаторе. Фотоны взаимодействовали с квантовой системой, но их энергии было недостаточно для ее возбуждения и, следовательно, разрушения ее состояния. Взаимодействие проявлялось в том, что у фотонов происходил небольшой сдвиг фазы, который и измеряли ученые. Именно он и давал информацию об эволюции системы во время переключения между квантовыми состояниями.

Слабые измерения по своей природе являются крайне шумными, так как неопределенность в их результат вносит квантовый характер не только измеряемой системы, но и измерителя — микроволнового фотона. Физики сравнивают такое измерение с футболом, в котором однократная победа не говорит о силе команды, но для ее оценки требуется проведение многократных матчей.

Измерения показали, что трек эволюции квантовой системы хорошо совпадает с моделью, построенной теоретической группой коллектива авторов. Оказалось, что поведение квантовой системы подчиняется тому же принципу наименьшего действия, что распространяется также на классические системы. Это открытие несет прежде всего фундаментальное значение, но может быть использовано при создании квантовых компьютеров и для управления химическими реакциями на квантовом уровне.