Один из самых основных процессов во всей природе - переход субатомной частицы между дискретными энергетическими состояниями - удивительно сложен и иногда предсказуем, как показали недавние исследования.
Квантовая механика, теория, описывающая физику Вселенной в очень малых масштабах, печально известна тем, что бросает вызов здравому смыслу. Рассмотрим, например, способ, которым стандартные интерпретации теории предполагают, что изменения происходят в квантовой сфере: переходы из одного состояния в другое предположительно происходят непредсказуемо и мгновенно. Другими словами, если бы события в нашем привычном мире разворачивались так же, как и в атомах, мы могли бы ожидать, что жидкое тесто станет полностью испеченным пирогом без прохождения каких-либо промежуточных этапов. Ежедневный опыт, конечно, говорит нам, что это не так, но для менее доступной микроскопической области истинная природа таких «квантовых скачков» была главной нерешенной проблемой в физике.
Однако в последние десятилетия технический прогресс позволил физикам более внимательно изучить проблему в тщательно организованных лабораторных условиях. Пожалуй, самый фундаментальный прорыв произошел в 1986 году, когда исследователи впервые экспериментально подтвердили, что квантовые скачки - это реальные физические явления, которые можно наблюдать и изучать. С тех пор неуклонный технический прогресс открыл более глубокие перспективы загадочного явления. Примечательно, что эксперимент, опубликованный в 2019 году, перевернул традиционное представление о квантовых скачках, продемонстрировав, что они движутся предсказуемо и постепенно, когда начинаются - и даже могут быть остановлены на полпути.
В этом эксперименте, проведенном в Йельском университете, использовалась установка, которая позволяла исследователям отслеживать переходы с минимальным вмешательством. Каждый скачок происходил между двумя значениями энергии сверхпроводящего кубита - крошечной схемы, имитирующей свойства атомов. Исследовательская группа использовала измерения «побочной активности», происходящей в цепи, когда система имела более низкую энергию. Это немного похоже на то, как узнать, какое шоу идет по телевизору в другой комнате, прислушиваясь только к определенным ключевым словам. Этот непрямой зонд позволил ускользнуть от одной из главных проблем квантовых экспериментов, а именно, как избежать влияния на саму наблюдаемую систему. Эти измерения, известные как «щелчки» (по звуку, издаваемому старыми счетчиками Гейгера при обнаружении радиоактивности), выявили важное свойство: прыжкам к высшей энергии всегда предшествовала остановка в «ключевых словах», пауза в побочной деятельности. Это в конечном итоге позволило команде предугадывать развитие прыжков и даже останавливать их по своему желанию.
Теперь новое теоретическое исследование глубже исследует то, что можно сказать о прыжках и когда. И он обнаруживает, что это, казалось бы, простое и фундаментальное явление на самом деле довольно сложно.
ПОЙМАЙ МЕНЯ, ЕСЛИ СМОЖЕШЬ
Новое исследование , опубликованное в исследования Physical Review, показывает шаг за шагом, от колыбели до могилы эволюции квантовых скачков, из их начального состояния с более низкой энергией системы до второго, где он имеет более высокую энергию, называемую возбужденным состоянием, и, наконец, переход обратно в основное состояние. Это моделирование показывает, что у предсказуемых, «улавливаемых» квантовых скачков должен быть неуловимый аналог, говорит автор Кирилл Снижко, научный сотрудник Технологического института Карлсруэ в Германии, который ранее работал в Институте науки Вейцмана в Израиле, где проводилось исследование. был выполнен.
В частности, под термином «неуловимый» исследователи подразумевают, что возврат в основное состояние не всегда будет плавным и предсказуемым. Вместо этого результаты исследования показывают, что развитие такого события зависит от того, насколько «подключено» измерительное устройство к системе (еще одна особенность квантовой области, которая, в данном случае, относится к шкале времени измерений по сравнению с шкалой времени измерений- переходы). Связь может быть слабой, и в этом случае квантовый скачок также можно предсказать через паузу в щелчках от побочной активности кубита, как это используется в эксперименте Йельского университета.
Система переходит через смесь возбужденного и основного состояний - квантовое явление, известное как суперпозиция. Но иногда, когда соединение превышает определенный порог, эта суперпозиция смещается к определенному значению смеси и имеет тенденцию оставаться в этом состоянии до тех пор, пока не переместится на землю без предупреждения. В этом частном случае «этот вероятностный квантовый скачок невозможно предсказать и обратить вспять в полете», - объясняет Парвин Кумар, научный сотрудник Института Вейцмана и соавтор самого последнего исследования. Другими словами, даже скачки, для которых время было изначально предсказуемо, будут сопровождаться непредсказуемыми по своей сути.
Но есть еще один нюанс, когда исследуем изначально ловимые прыжки. Снижко говорит, что даже в них есть элемент непредсказуемости. Улавливаемый квантовый скачок всегда будет происходить по «траектории» через суперпозицию возбужденного и основного состояний, но не может быть никакой гарантии, что скачок когда-либо закончится. «В каждой точке траектории есть вероятность продолжения прыжка и вероятность того, что он вернется в исходное состояние», - говорит Снежко. «Таким образом, скачок может начаться, а затем внезапно прекратиться. Траектория полностью детерминирована, но непредсказуемо, завершит ли система эту траекторию ».
Такое поведение проявилось в результатах Йельского эксперимента. Авторы этой работы назвали такие ловкие прыжки «островками предсказуемости в море неопределенности». Рикардо Гутьеррес-Хауреги, постдокторант Колумбийского университета и один из авторов соответствующего исследования, отмечает, что «прелесть этой работы заключалась в том, чтобы показать, что в отсутствие щелчков система следовала заранее определенному пути, чтобы достичь возбужденного состояния. в короткие, но ненулевые сроки. Однако у устройства все еще есть шанс «щелкнуть», когда система проходит этот путь, прерывая его переход ».
«КВАНТОВАЯ ФИЗИКА НАРУШЕНА!»
Златко Минев, исследователь из IBM Thomas J. Watson Research Center и ведущий автор более раннего исследования Йельского университета, отмечает, что новая теоретическая статья «выводит очень красивую, простую модель и объяснение феномена квантового скачка в контексте кубита в зависимости от параметров эксперимента». Взятые вместе с экспериментом в Йельском университете результаты «показывают, что дискретность является естественной, случайной и предсказуемой в квантовой механике более, чем принято считать». В частности, удивительно детализированное поведение квантовых скачков - способ предсказания скачка из основного состояния в возбужденное состояние - предполагает степень предсказуемости, присущую квантовому миру, которая никогда ранее не наблюдалась. Некоторые даже сочли бы это запрещенным, если бы это еще не было подтверждено экспериментом. Когда Минев впервые обсудил возможность предсказуемых квантовых скачков с другими членами своей группы, его коллега ответил криком: «Если это правда, то квантовая физика нарушена!»
«В конце концов, наш эксперимент сработал, и из него можно сделать вывод, что квантовые скачки случайны и дискретны», - говорит Минев. «Тем не менее, в более точных временных масштабах их эволюция последовательна и непрерывна. Эти две, казалось бы, противоположные точки зрения сосуществуют ».
Относительно того, могут ли такие процессы применяться к материальному миру в целом - например, к атомам за пределами квантовой лаборатории - Кумар не определился, в значительной степени из-за того, насколько тщательно были определены условия исследования. «Было бы интересно обобщить наши результаты», - говорит он. Если результаты окажутся схожими для разных измерительных установок, то такое поведение - события, которые в некотором смысле являются как случайными, так и предсказуемыми, дискретными, но непрерывными - могут отражать более общие свойства квантового мира.
Между тем прогнозы исследования скоро могут быть проверены. По словам Сержа Розенблюма, исследователя из Института Вейцмана, который не участвовал ни в одном исследовании, эти эффекты можно наблюдать с помощью современных сверхпроводящих квантовых систем, и они занимают одно из первых мест в списке экспериментов нового института.лаборатория кубитов. «Для меня было довольно удивительно, что обманчиво простая система, такая как отдельный кубит, все еще может скрывать такие сюрпризы, когда мы ее измеряем», - добавляет он.
Долгое время считалось, что квантовые скачки - самые основные процессы, лежащие в основе всего в природе, практически невозможно исследовать. Но технический прогресс меняет это. Катер Марч, адъюнкт-профессор Вашингтонского университета в Сент-Луисе, которая не участвовала в этих двух исследованиях, отмечает: «Мне нравится, как эксперимент в Йельском университете, кажется, послужил мотивом для этой теоретической статьи, которая раскрывает новые аспекты проблемы физики, которая изучается десятилетиями. На мой взгляд, эксперименты действительно помогают изменить образ мыслей теоретиков о вещах, а это ведет к новым открытиям ».
Однако тайна может не исчезнуть просто так. Как говорит Снижко:
«Я не думаю, что проблема квантовых скачков будет решена полностью в ближайшее время; это слишком глубоко укоренилось в квантовой теории. Но, играя с разными размерами и прыжками, мы можем наткнуться на что-то практически полезное».
Источник: https://russia-news.ru/ru/8-news/1475-uchenye-novye-vzglyady-na-kvantovye-skachki-brosayut-vyzov-osnovnym-printsipam-fiziki?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop
