Физики обуздали квантовую случайность

Квантовая механика часто имеет дело с событиями, о которых невозможно точно сказать, произойдут они или нет, можно лишь рассчитать их вероятность. Физики считают, что эта неопределённость заложена в самих законах природы, и противостоять ей нельзя. С одной стороны, это помогает инженерам создавать генераторы случайных чисел, а с другой, сильно усложняет создание квантовых компьютеров.

Примером такого непредсказуемого события является квантовый скачок между энергетическими уровнями системы. Представим себе атом. Пусть для простоты это будет атом водорода, в котором всего один электрон. Начнём облучать этот атом фотонами. Рано или поздно электрон поглотит фотон и за счёт его энергии поднимется на один энергетический уровень выше. Но как скоро это произойдёт?

Считается, что это принципиально непредсказуемо. Можно лишь рассчитать вероятность того, что такое событие произойдёт через то или иное время. Это обстоятельство сильно усложняет жизнь создателям квантовых компьютеров.

Напомним, что в такой машине единицей хранения информации является не бит, принимающий только значения 0 или 1, а кубит, который может находиться в "комбинации" этих состояний и за счёт этого хранить больше информации.

Чтобы хранить информацию, нужно устройство – элемент памяти. Он может быть создан на основе разных физических объектов. Например, это может быть атом или же "искусственный атом", имитирующий некоторые его свойства.

Элементы памяти нужны для того, чтобы записывать, считывать и перезаписывать в них информацию. Перезапись – это изменение состояния кубита. Физически это реализуется как переход между энергетическими уровнями.

Тот факт, что момент такого перехода непредсказуем, для инженеров — сущая головная боль. Очень трудно следить за правильностью вычислений и исправлять ошибки, если известна лишь вероятность, что элемент памяти изменит своё состояние в тот или иной момент.

Способ исправить положение подсказывает научная статья, опубликованная международной группой физиков в журнале Nature.

Учёные обнаружили, что квантовый скачок между энергетическими уровнями происходит не так уж внезапно. Есть признаки, указывающие, что он вот-вот случится. Поэтому такое событие становится предсказуемым, хотя и в краткосрочной перспективе.

Чтобы проиллюстрировать это, представим себе вулкан. Вулканологи не могут точно сказать, когда произойдёт извержение. Им под силу только рассчитать вероятность того, что оно случится в ближайший год, век или тысячелетие. Но вот затряслась земля, и над вершиной появился дымок. Это означает, что катастрофа вот-вот случится. И до её начала можно успеть что-то сделать, например, покинуть опасную зону.

Вот эти-то признаки того, что всё вот-вот начнётся (трясущаяся земля и дымок) и были обнаружены физиками. Только, в отличие от извержения вулкана, скорый квантовый скачок теперь можно не только уверенно спрогнозировать, но и предотвратить.

В опытах авторов использовался сверхпроводящий "искусственный атом", имеющий три энергетических уровня. Его облучали микроволнами, ожидая, когда с их помощью он перейдёт на верхний энергетический уровень. К удивлению физиков, они обнаружили явный признак такого скорого квантового скачка.

Так, пока кубит не собирался переходить на верхний энергетический уровень, он то и дело "переключался" с нижнего уровня на промежуточный и обратно. При этом, когда "искусственный атом" возвращался с промежуточного энергетического уровня на нижний, микроволны порождали фотоны.

Когда же система вознамерилась-таки покорить верхний уровень, столь лёгкая цель, как промежуточный, перестала её интересовать. В этот момент излучение в виде фотонов исчезало. Это "выключение" и становилось для учёных сигналом, что вскоре кубит будет покорять верхний уровень (то есть совершит тот самый квантовый скачок).

Впрочем, термин "скачок", видимо, придётся пересматривать. Как выяснили авторы благодаря своей беспрецедентно точной системе мониторинга, переход происходит достаточно плавно и всегда по одному и тому же сценарию. Издание ScienceAlert уточняет, что физики наблюдали 6,8 миллиона таких переходов, и все они в точности копировали друг друга.

Плавность перехода означает, что начавшийся переход можно обратить вспять, послав "атому" точно рассчитанный импульс излучения. Исследователи действительно проделывали это в режиме реального времени.

"Квантовые скачки атома в некоторой степени аналогичны извержению вулкана, – говорит первый автор статьи Златко Минев (Zlatko Minev). – Они абсолютно непредсказуемы в долгосрочной перспективе. Тем не менее при правильном мониторинге мы можем с уверенностью обнаружить заблаговременное предупреждение о надвигающейся катастрофе и принять меры до её возникновения".

Эта работа не только помогает учёным лучше понять механизмы квантовых явлений. В перспективе она поможет создать принципиально новый метод коррекции ошибок в квантовых компьютерах. Как сообщают разработчики, такая система обнаружит, что тот или иной кубит вот-вот сменит состояние, и предотвратит это событие, если оно нежелательно.