Ученые предотвратили квантовый переход

Исследователи из Йельского университета и Университета Окленда смогли регистрировать и предотвращать квантовые скачки электронов в трехуровневой системе. Результаты эксперимента были опубликованы в журнале Nature.

«Квантовые скачки электрона схожи с извержением вулкана. Однако мы научились отслеживать и предотвращать катастрофу», — отметил ведущий автор статьи сотрудник Йельского университета Златко Минев.

Появившаяся на свет в 1913 году боровская модель атома гласит, что электроны располагаются вокруг атомного ядра в определенных стационарных состояниях — на орбиталях. Конкретный электрон может переходить из одного состояния в другое, однако квантовый переход происходит мгновенно и с изменением энергии системы. Так, при скачке на более энергетически высокую орбиталь энергия поглощается, а на более низкую — испускается. Долгое время ученые были уверенны, что квантовые скачки отличаются от постепенных классических переходов отсутствием траектории между двумя состояниями.

Для лучшего понимания этого феномена был введен мысленный эксперимент, получивший название «кот Шредингера». Некий кот заперт в камере c машиной, которая срабатывает при распаде радиоактивного атома. Атом может распасться, а может не распасться с одинаковой вероятностью. Однако если распад все-таки произойдет, то аппарат выбросит в камеру пары синильной кислоты, что погубит кота. До тех пор, пока кто-то не заглянет в ящик, кот есть суперпозиция (сочетание) из состояний «жив» и «мертв». Согласно этому представлению, под пристальным взглядом наблюдателя квантовый скачок дискретен.

В 1980-х годах возникла научная теория квантовых траекторий. Согласно ей, в ходе скачка состояние системы эволюционирует непрерывно и скачку всегда предшествует скрытый период, в течение которого его можно предсказать и предотвратить.

Последним гипотетическим свойством системы и воспользовались физики для трехуровневой системы сверхпроводящего искусственного атома (кубит) с V-образной структурой энергетических уровней, охлажденного до температуры абсолютного ноля (-273 °C). Переход электрона из основного в возбужденное состояние ученые регистрировали, наблюдая за изменением резонансной частоты подключенного колебательного контура. Резонансная частота резко падала при скачке атома во вспомогательное, промежуточное, состояние. Момент перехода в возбужденное состояние фиксировали, замораживая эволюцию системы и измеряя состояние с помощью томографии. Наконец, переход предотвращали, регистрируя отсутствие детектирующих фотонов, что всякий раз предшествовало квантовому скачку в возбужденное состояние.

Исследователи показали, что для промежуточных времен состояние атома менялось непрерывно: эволюция каждого завершенного прыжка являлась непрерывной, последовательной и детерминированной. Эксперимент согласуется с предсказаниями теории квантовых траекторий.