Yale-onderzoekers hebben ontdekt hoe ze de beroemde kat van Schrödinger kunnen vangen en redden, het symbool van kwantumsuperpositie en onvoorspelbaarheid, door te anticiperen op zijn sprongen en in realtime te handelen om het te redden van spreekwoordelijke ondergang. In het proces, ze werpen jaren van hoeksteendogma in de kwantumfysica omver.

De ontdekking stelt onderzoekers in staat om een ​​systeem voor vroegtijdige waarschuwing op te zetten voor dreigende sprongen van kunstmatige atomen die kwantuminformatie bevatten. Een studie die de ontdekking aankondigt, verschijnt in de online editie van 3 juni van het tijdschrift Natuur .

De kat van Schrödinger is een bekende paradox die wordt gebruikt om het concept van superpositie - het vermogen van twee tegengestelde toestanden om gelijktijdig te bestaan ​​- en onvoorspelbaarheid in de kwantumfysica te illustreren. Het idee is dat een kat in een afgesloten doos wordt geplaatst met een radioactieve bron en een gif dat wordt geactiveerd als een atoom van de radioactieve stof vergaat. De superpositietheorie van de kwantumfysica suggereert dat totdat iemand de doos opent, de kat is zowel levend als dood, een superpositie van staten. Als je de doos opent om de kat te observeren, verandert deze abrupt zijn kwantumtoestand willekeurig, dwingen om dood of levend te zijn.

De kwantumsprong is de discrete (niet-continue) en willekeurige verandering in de toestand wanneer deze wordt waargenomen.

Het experiment, uitgevoerd in het lab van Yale-professor Michel Devoret en voorgesteld door hoofdauteur Zlatko Minev, tuurt voor het eerst in de daadwerkelijke werking van een kwantumsprong. De resultaten onthullen een verrassende bevinding die in tegenspraak is met de gevestigde opvatting van de Deense natuurkundige Niels Bohr:de sprongen zijn niet abrupt en ook niet zo willekeurig als eerder werd gedacht.

Voor een klein object zoals een elektron, molecuul, of een kunstmatig atoom met kwantuminformatie (bekend als een qubit), een kwantumsprong is de plotselinge overgang van een van zijn discrete energietoestanden naar een andere. Bij de ontwikkeling van kwantumcomputers, onderzoekers moeten omgaan met de sprongen van de qubits, die de manifestaties zijn van fouten in berekeningen.

De raadselachtige kwantumsprongen werden een eeuw geleden door Bohr getheoretiseerd, maar pas in de jaren tachtig waargenomen, in atomen.

"Deze sprongen doen zich elke keer voor als we een qubit meten, " zei Devoret, de F.W. Beinecke Professor of Applied Physics and Physics aan Yale en lid van het Yale Quantum Institute. "Het is bekend dat kwantumsprongen op de lange termijn onvoorspelbaar zijn."

"Ondanks dat, " voegde Minev toe, "We wilden weten of het mogelijk zou zijn om een ​​waarschuwingssignaal te krijgen dat er binnenkort een sprong gaat plaatsvinden."

Minev merkte op dat het experiment was geïnspireerd door een theoretische voorspelling van professor Howard Carmichael van de Universiteit van Auckland, een pionier van de kwantumbaantheorie en een co-auteur van de studie.

Naast de fundamentele impact, de ontdekking is een potentieel grote vooruitgang in het begrijpen en beheersen van kwantuminformatie. Onderzoekers zeggen dat het betrouwbaar beheren van kwantumgegevens en het corrigeren van fouten wanneer ze zich voordoen, een belangrijke uitdaging is bij de ontwikkeling van volledig bruikbare kwantumcomputers.

Het Yale-team gebruikte een speciale benadering om indirect een supergeleidend kunstmatig atoom te monitoren, met drie microgolfgeneratoren die het atoom bestralen dat is ingesloten in een 3D-holte van aluminium. De dubbel indirecte monitoringmethode, ontwikkeld door Minev voor supergeleidende circuits, stelt de onderzoekers in staat het atoom met ongekende efficiëntie te observeren.

Microgolfstraling roert het kunstmatige atoom terwijl het tegelijkertijd wordt waargenomen, resulterend in kwantumsprongen. Het kleine kwantumsignaal van deze sprongen kan worden versterkt zonder verlies tot kamertemperatuur. Hier, hun signaal kan in realtime worden gevolgd. Dit stelde de onderzoekers in staat om een ​​plotselinge afwezigheid van detectiefotonen te zien (fotonen die worden uitgezonden door een hulptoestand van het atoom dat wordt geëxciteerd door de microgolven); deze kleine afwezigheid is de waarschuwing vooraf voor een kwantumsprong.

"Het mooie effect van dit experiment is de toename van de coherentie tijdens de sprong, ondanks zijn observatie, " zei Devoret. Minev toegevoegd, "Je kunt dit gebruiken om niet alleen de sprong te maken, maar ook omkeren."

Dit is een cruciaal punt, aldus de onderzoekers. Hoewel kwantumsprongen op de lange termijn discreet en willekeurig lijken, het omkeren van een kwantumsprong betekent dat de evolutie van de kwantumtoestand bezit, gedeeltelijk, een deterministisch en niet willekeurig karakter; de sprong gebeurt altijd in dezelfde, voorspelbare manier vanaf het willekeurige startpunt.

"Kwantumsprongen van een atoom zijn enigszins analoog aan de uitbarsting van een vulkaan, Minev zei. "Ze zijn volledig onvoorspelbaar op de lange termijn. Niettemin, met de juiste monitoring kunnen we met zekerheid een waarschuwing vooraf detecteren voor een dreigende ramp en hierop inspelen voordat deze zich heeft voorgedaan.