Американским ученым впервые удалось проследить непрерывную эволюцию во времени квантовой системы при ее переходе из одного состояния в другое. Фактически в своем новом исследовании специалистам удалось проследить за знаменитым котом Шредингера, не вскрывая ящик. В квантовой механике нельзя узнать, жив или мертв кот (исходное квантовое состояние частицы), находящийся в закрытой коробке (до измерения), не открыв ее (проведя измерение). Результаты своего исследования авторы изложили в статье в журнале Nature, которая также доступна в форме препринта на сайте arXiv.org. Кратко с ее содержанием можно ознакомиться на портале Рочестерского университета.
Физики наблюдали траекторию перехода между двумя квантовыми уровнями особого объекта — трансмона. Для этого ученые помещали его в резонатор и облучали микроволновыми импульсами. В своей работе ученые получали явный вид траектории эволюции квантового состояния, проводя серию последовательных слабых измерений.
Данные измерения необходимы, чтобы не допустить так называемой редукции волновой функции квантового объекта. Это явление связано с характером процесса измерения в квантовой механике. В классическом мире информация об объекте получается в результате локального взаимодействия, распространяющегося с максимальной скоростью, равной скорости света. В квантовой механике измерение считается нелокальным процессом и получает различное толкование в зависимости от интерпретации теории.
В слабых измерениях небольшое воздействие на систему приводит к ее незначительному возмущению, которое почти неотличимо от первоначального. Однако для получения достоверной информации о состоянии системы такие измерения необходимо проводить достаточно большое число раз.
Так, ученые в своей работе хотя и говорят о том, что им удалось определить траекторию эволюции квантовой системы, графики, которые они получили, показывают ее в достаточно размытом виде. Тем не менее четка видна область, в которой находится траектория.
Траектории эволюции квантовой системы для четырех опытов. По горизонтальной оси — время, по вертикальной — наблюдаемая; графики a и b отвечают слабым измерениям, c и d — сильным.
Изображение: Nature
Трансмон является одной из возможных физических реализаций квантового бита (кубита). Он представляет собой систему из пары сверхпроводников, которые соединены двумя туннельными контактами. Энергетические уровни трансмона зависят от распределения куперовских пар в сверхпроводниках.
Кубит, кроме значений 0 и 1, которые принимает бит, может иметь любое значение, составленное из суперпозиций 0 и 1. Ученым удалось отследить траекторию, по которой система переходит из одного такого состояния в другое.
Одна из основных сложностей, возникающих при описании эффектов квантовой механики, связана с тем, что само понимание такого описания проводится при помощи понятий и аналогий из классической физики. Однако, отказываясь от физической интерпретации квантовой механики, ученые остаются наедине с математическими уравнениями и законами квантового мира.
Исследователи надеются, что их работа найдет применение в управлении квантовыми системами, например при создании квантовых квантовых компьютеров.