Superpozycja kwantowa dociera do mikroskopijnego świata: czy rewolucja komputerów kwantowych jest na horyzoncie?

Fizyka kwantowa dominuje w świecie mikroskopowym, podczas gdy fizyka klasyczna panuje w domenie makroskopowej. „Przekazanie” między tymi dwiema domenami pozostaje dla naukowców tajemnicą co do skali i mechanizmów. Niedawny eksperyment z użyciem rezonatora akustycznego umożliwił podkreślenie superpozycji kwantowej – równoczesnego zajmowania dwóch różnych stanów kwantowych – w grupie 10¹⁶ Atomy ważą około jednego mikrograma. Odkrycia te przesuwają granice pojęcia „kwant” dla prawie wszystkich obiektów makroskopowych i mogą zrewolucjonizować obliczenia kwantowe.

Les atoms and autres objets microscopiques obéissent aux lois de la mécanique quantique, tandis que les objets plus volumineux, tels qu’un vase ou meme un sable grain, suivent les règles de la mécanique classique établies autorstwa Isaaca Newtona w ciągu ostatnich 340 lat.

Mówiąc prościej, mechanika kwantowa sugeruje, że atom może zachowywać się jak fala, a zatem znajdować się w kilku miejscach jednocześnie, podczas gdy w mechanice klasycznej spadająca waza pęka bez żadnych innych możliwych alternatyw. Cząstka może również znajdować się jednocześnie w dwóch stanach kwantowych (superpozycja).

Liczne eksperymenty potwierdziły dziwne właściwości cząstek kwantowych w ciągu ostatnich 100 lat. Jednak podstawowa przyczyna różnic w zachowaniu między organizmami mikroskopijnymi i makroskopowymi jest nadal nieznana.

Niedawno Mathieu Fadel ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu (ETH) wraz ze współpracownikami był w stanie umieścić pojedynczy mikrogramowy kryształ w stanie superpozycji kwantowej, aby przetestować ważność mechaniki kwantowej w świecie mikroskopowym. Wyniki ich badań zostały opublikowane w czasopiśmie
Fizyczne listy przeglądowe. Praca ta powinna umożliwić przetestowanie mechaniki kwantowej i jej ewentualnych modyfikacji przy użyciu masywnych obiektów o mikroskopijnych rozmiarach.

Stany kwantowe wibrującego kryształu

Aby zbadać mechanikę kwantową na bardziej masywnych obiektach, Mathieu Fadell i jego zespół użyli rezonatorów fal dźwiękowych. Są to maleńkie płatki szafiru przeznaczone do wibrowania, a następnie mierzone są ich wibracje.

Aby wygenerować wibracje, które w mechanice kwantowej są stanami superpozycji – odpowiednik atomu lub cząsteczki znajdującej się w dwóch miejscach jednocześnie – kryształ piezoelektryczny (który generuje pole elektryczne podczas deformacji materii) jest połączony z obwodem nadprzewodzącym, który działa jak bit kwantowy lub kubit — używany w komputerach kwantowych.

Kubit może przyjąć jeden z dwóch możliwych stanów kwantowych lub superpozycję tych dwóch. Poprzez sprzężenie kubitu z kryształem stan superpozycji kubitu można przenieść na zbiorcze wibracje atomów w krysztale. Ponadto kubit może być następnie użyty do wykrycia stanu wibracji kryształu.

Korzystając z tej procedury, naukowcom udało się stworzyć kwantowo-mechaniczne stany superpozycji kryształu szafiru złożonego z dziesięciu bilionów atomów (liczba z 16 zerami). Schłodzili kryształ, który wibrował około sześciu miliardów razy na sekundę, do jednej setnej stopnia powyżej zera absolutnego, aby zmniejszyć fluktuacje termiczne.

Po umieszczeniu kryształu w określonym stanie kwantowym naukowcy wykryli jego stan po zmiennym okresie za pomocą kubitu. To pozwoliło im określić, czy stan wibracyjny kryształu był rzeczywiście kwantowo-mechaniczny, czy też można go było opisać za pomocą mechaniki klasycznej. Podczas swojego eksperymentu obserwowali cechy kwantowe w drganiach kryształu przez około 40 mikrosekund.

Rewolucja w mechanice kwantowej?

W raportFadel wyjaśnia:
W połączeniu z dużą masą kryształu, ten czas koherencji sugeruje test zasady superpozycji kwantowej na poziomie zbliżonym do tego, co można obecnie osiągnąć za pomocą interferometrów. [instrument permettant de créer des
interférences d’ondes électromagnétiques et d’étudier la
superposition des ondes] „. Dodać : ” Przy pewnych ulepszeniach powinniśmy być w stanie w niedalekiej przyszłości badać inne obiekty makroskopowe, przewyższając wyniki uzyskane z cząstkami, a tym samym testując mechanikę kwantową w dotychczas niezbadanych układach. ».

Ostatecznym celem Fadela jest odkrycie, co dzieje się z efektami kwantowymi w układzie masy pośredniej między atomami lub cząsteczkami z jednej strony a obiektami makroskopowymi z drugiej. Niektóre aktualne teorie postulują, że utrata spójności kwantowej w miarę powiększania się obiektów jest w jakiś sposób spowodowana przez mechanikę kwantową.

Ustalenie, czy równanie Schrödingera (słynnie narysowane przez kota żywego i martwego w pudełku) wymaga modyfikacji, ma nie tylko ogromne znaczenie dla nauk podstawowych, jak wskazuje Fadel: Będzie to miało istotne implikacje, na przykład dla komputerów i czujników kwantowych ».

Wraz ze wzrostem liczby kubitów w tych urządzeniach kwantowych efekty dekoherencji ze względu na ich rozmiar mogą nałożyć nieoczekiwane ograniczenia na ich funkcjonalność.

źródło : Fizyczne listy przeglądowe