Згідно з поширеними припущеннями, окремі квантові стрибки в атомах відбуваються цілком випадково та непередбачувано - ситуація аналогічна до тієї, в якій опинився «кіт Шредінгера» в знаменитому мисленнєвому експерименті. Але нещодавня розвідка спростовує це твердження.

Адже існує певний попереджувальний знак, що повідомляє про квантові стрибки, - а його, принаймні в короткотерміновій перспективі, можна виявити. Врешті, на нього можна навіть впливати, - повідомили науковці в журналі «Nature».

У квантовому світі частинки можуть перебувати в кількох станах водночас - принаймні доти, допоки їхній стан не виміряють, - тоді руйнується інтерференція і квантовий стан змінюється стрибкоподібно (або ні). Аналогія цього - знаменитий мисленнєвий експеримент про кота Шредінгера: тварина, що сидить у закритому ящику, перебуває в невідомому стані між життям і смертю доти, допоки хтось не загляне в ящик.

У квантовому світі лише оце заглядання всередину визначає, чи відбувається квантовий стрибок, чи ні, - йдеться про таке явище, коли атомний спін відхиляється або електрон перестрибує на вищий енергетичний рівень. «Ці квантові стрибки відбуваються, наприклад, тоді, коли вимірюємо кубіт у квантовому комп'ютері», - пояснив Златко Мінев з Єльського університету в Нью-Гейвені та його колеги.

Проблема все ж полягає в тому, що, за поширеною теорією, ці квантові стрибки неможливо передбачити: чи вони відбудуться і коли - залишається нез'ясованим. Для багатьох функцій квантового комп'ютера це - суттєвий недолік. Проте, деякі теоретичні моделі все ж вказують на те, що може існувати певний передвісник квантових стрибків. Власне це і дослідив Мінев з колегами в експерименті.

	Зміну атомних станів, так звані квантові стрибки, дотепер вважали непередбачуваною, як і стан кота Шредінгера. Але тепер вчені виявили їхніх передвісників. Зображення: Kat Stockton

Для свого дослідження науковці використали штучний атом, що одночасно міг набувати трьох енергетичних станів: він міг мати основний стан; так званий темний стан, який неможливо виміряти безпосередньо; і третій - «ясний» допоміжний стан. Якщо на атом діяти мікрохвилями, він переходить у цей стан. Врешті, стрибаючи знову в основний стан, атом випромінює фотон, який можуть зафіксувати фотодетектори.

Тож чи можна в результаті поєднання мікрохвильових даних і фотонних вимірювань з'ясувати, чи відбудеться квантовий стрибок з основного стану до «темного» енергетичного рівня, і якщо так, то коли це трапиться? При цьому важливо було не вимірювати стрибок безпосередньо. З огляду на це, вчені цільово шукали зміни в системі, що могли б сповіщали про цей стрибок.

І справді, експеримент засвідчив: передвісники квантових стрибків існують. «Незважаючи на неможливість їхнього передбачення в довготерміновій перспективі, стрибкам з основного стану до «темного» передує щоразу однакова фаза фотонної тиші», - пояснив Мінев зі своєю командою. Якщо ця фаза тривала від двох до 10 мікросекунд, якщо почався так званий період «no-click», неминуче наставав квантовий стрибок, - з'ясували вчені.

Тобто, квантові стрибки хоч і є випадковими та дискретними подіями, їх все ж можна передбачити. «Cтрибок - безперервний, когерентний і детермінований процес, - пояснили фізики. - Детерміністська природа безперервного «польоту» виявилася для нас несподіваною - це острів передбачуваності в океані непевності».

Інакше кажучи: кота Шредінгера можна застати в момент стрибка між життям і смертю - і, ймовірно, навіть його схопити і повернути назад. Адже в експерименті науковцям вдалося навіть відмотати назад квантовий стрибок - в результаті втручання в цю передстрибкову стадію.

На думку науковців, отримані свідчення відкривають нові перспективи для контрольованого втручання в процеси квантової системи - наприклад, завчасно виявляючи та коригуючи помилки квантового комп'ютера. Це явище вчені порівнюють з виверженням вулкана: «В довготерміновій перспективі його ніяк не передбачити. Але за допомогою правильних вимірювань можна помітити ранні ознаки виверження, що готується, зафіксувати їх, і потім вчасно вдатися до певних заходів», - пояснив Мінев.

Автори: Nadja Podbregar, Yale University;

Z. K. Minev, S. O. Mundhada, S. Shankar, P. Reinhold, R. Gutiйrrez-Jбuregui, R. J. Schoelkopf, M. Mirrahimi, H. J. Carmichael & M. H. Devoret

Джерело: Nature

Зреферувала С. К., «Збруч»