Квантовый скачок — это внезапный переход микроскопической частицы, например электрона или атома, из одного энергетического состояния в другое. Изучение квантовых скачков помогает создавать надёжные квантовые компьютеры, разрабатывать сверхточные сенсоры и улучшать системы квантовой связи.
В отличие от классических систем, где энергия может изменяться постепенно и непрерывно, в квантовой механике такие изменения происходят дискретно, то есть «скачком». Частица не проходит промежуточные состояния, а мгновенно оказывается в новом уровне энергии. Это явление является одним из фундаментальных принципов квантовой физики и было впервые предложено Нильсом Бором в начале XX века.
Можно ли предсказать квантовый скачок?
Можно ли предсказать, когда произойдёт квантовый скачок? Этот вопрос давно занимает учёных. И, как показывает новое исследование команды Йельского университета (США), ответ звучит уверенно: «да». Работа не только имеет фундаментальное значение для физики, но и открывает перспективы для будущего исправления ошибок в квантовых вычислениях. Результат был получен при измерении переходов искусственного сверхпроводящего атома с тремя уровнями энергии, возбуждаемого микроволновым пучком.
Концепция квантовых скачков
Ещё в 1913 году Нильс Бор впервые выдвинул идею квантовых скачков. Он описал их как внезапные переходы микроскопических объектов — например, электрона, атома или молекулы — из одного дискретного энергетического состояния в другое. Однако его современники, включая Эрвина Шрёдингера, не соглашались с этим. Они утверждали, что такие переходы не происходят мгновенно.
Фактически, квантовые скачки впервые были зафиксированы лишь в 1986 году на отдельных атомах. С тех пор их наблюдали в разных атомных и твёрдотельных системах. Учёные доказали, что этот процесс играет ключевую роль в таких областях, как квантовая обратная связь и особенно обнаружение и коррекция ошибок, вызванных декогеренцией в системах квантовой информации. Коррекция ошибок — это одна из важнейших задач на пути к созданию полноценных квантовых компьютеров.
Эксперименты с трёхуровневым атомом
Команда под руководством Мишеля Деворета и Златко Минева сосредоточилась на «каноническом случае» квантовых скачков между двумя уровнями, которые наблюдаются косвенно через третий уровень. Такой сценарий, по словам исследователей, повторяет условия экспериментов 1986 года, проверявших идею Бора.
Для опытов был создан сверхпроводящий электрический контур, ведущий себя как атом с тремя энергетическими уровнями. Первый уровень — это основное состояние. Второй — вспомогательное «светлое» состояние, связанное с основным с помощью перехода, стимулируемого микроволновым излучением. Третий — это «тёмное» состояние, куда атом может перейти.
Учёные применили метод косвенного квантового ненарушающего измерения. На искусственный атом направили микроволновое излучение, соответствующее переходу между основным и светлым состоянием. Благодаря энергии микроволн атом многократно переходил из светлого состояния в основное, испуская фотон при каждом таком переходе. Если же он поглощал более энергичный фотон из другого луча, то перескакивал в тёмное состояние. Когда атом находился в светлом состоянии, он рассеивал свет, а в тёмном — нет.
Наблюдение начала скачка
«Когда атом циклично переходит между основным и светлым состояниями, мы видим яркое рассеянное свечение, — поясняет Минев. — Но когда он оказывается в тёмном состоянии, свечение исчезает».
Новизна их работы заключается в том, что исследователям удалось зафиксировать практически каждый отдельный рассеянный фотон с почти идеальной точностью измерения. Эта точность стала возможной благодаря схеме, предложенной Миневым. Она позволила отследить момент начала квантового скачка, определяя его по исчезновению вспышки света от светлого состояния.
Латентный период и предупреждающий сигнал
Однако перед скачком всегда существует небольшой латентный период — всего несколько микросекунд. В это время можно уловить сигнал-предупреждение о приближающемся скачке. Этот сигнал проявляется как спад интенсивности рассеянного света в момент перехода атома в тёмное состояние.
Минев отметил, что идею эксперимента он предложил под впечатлением от предсказания Говарда Кармайкла из Университета Окленда, пионера теории квантовых траекторий и соавтора данного исследования.
«Наши результаты показывают: квантовые скачки действительно непредсказуемы и дискретны в долгосрочной перспективе, как считал Бор. Но в коротких временных интервалах они оказываются непрерывными и предсказуемыми, как предполагал Шрёдингер», — добавляет Деворет.
Квантовый скачок не является мгновенным
Учёные пошли ещё дальше. Им удалось управлять скачком, уже начавшимся, с помощью электрического импульса, поданного на искусственный атом. Таким образом они смогли прервать переход и вернуть систему в основное состояние. Это стало возможным потому, что квантовый скачок не является абсолютно мгновенным и случайным. Он всегда проходит по одной и той же траектории между уровнями, и потому его можно перехватить и обратить.
По словам исследователей из Йельского университета, это принципиальный вывод: хотя в долгосрочной перспективе скачки кажутся случайными и дискретными, возможность их обращения указывает на частично детерминированный и закономерный характер эволюции квантового состояния. Скачок всегда развивается одинаково и предсказуемо, начинаясь в случайный момент времени.
«Результаты полностью совпадают с предсказаниями современной теории квантовых траекторий, причём без необходимости подгонки параметров», — подчёркивает Деворет в интервью Physics World.
Возможные применения
Учёные отмечают, что один из практических результатов их работы — это разработка эффективного метода обнаружения сверхслабых сигналов, скрытых в квантовом шуме. Такая технология позволит проводить вмешательство в режиме реального времени, основываясь на этих сигналах.
Минев добавляет, что результаты эксперимента открывают новые возможности для разработки методов управления квантовыми системами. В частности, речь идёт о раннем выявлении ошибок при коррекции квантовых вычислений. Например, внезапный скачок может указывать на ошибку в вычислениях. Тогда учёные смогут зафиксировать его начало и скорректировать результат или даже обратить процесс ещё до завершения скачка.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, стало важным шагом в изучении квантовых явлений. Теперь команда планирует расширить эксперименты на систему, где два удалённых наблюдения будут производиться над общим запутанным состоянием. Это позволит проверить, как связаны скачки в разных местах. «Такой эксперимент будет аналогичен разбору измерений, нарушающих неравенство Белла», — поясняет Деворет.
