Celebrul experiment imaginar care a primit numele celui care l-a formulat pentru a combate mecanică cuantică, “pisica lui Schrödinger”, a fost recent infirmat. Iată în ce condiţii celebra pisică poate fi privită, metaforic vorbind, fără frica de a o ucide.
Noi măsurători cuantice infirmă celebrul paradox al “pisicii lui Schrödinger”
Prin efectuarea de măsurători fine, dar constante asupra sistemelor cuantice, fizicienii au reuşit să examineze o stare cuantică fragilă fără însă a o distrugă, ceea ce poate fi considerat echivalent cu a arunca o privire către metaforica “pisică a lui Schrödinger”, fără însă a o ucide.
Rezultatul facilitează experimentarea cu sisteme cuantice cum ar fi computerele cuantice care folosesc proprietăţi exotice ale lumii atomice.
Obiectele cuantice au proprietatea bizară, dar utilă de a putea să existe în stări multiple în acelaşi timp, un fenomen denumit şi superpoziţie. Fizicianul austriac Erwin Schrödinger a ilustrat implicaţiile bizare pe care le are conceptul de superpoziţie imaginându-şi o pisică într-o cutie, felină cărei soartă depinde de un atom radioactiv. Deoarece descompunerea radioactivă a atomului este guvernată de mecanica cuantică, putând determina dacă a avut loc sau nu doar în urma măsurătorilor, pisica este, am putea spune, în două stări simultan, adică şi vie, şi moartă, până când cutia este deschisă.
Superpoziţia ar putea, în teorie, permite computerelor cuantice să ruleze calcule în paralel prin stocarea informaţiilor în qubiţi. Spre deosebire de biţii normali, aceşti qubiti nu iau valorile 1 sau 0, ci există ca o combinaţie de ambele, luând o valoare precisă de 1 sau 0, doar atunci când sunt măsuraţi.
Dar această abilitate de a distruge superpoziţia prin simpla observaţie a stărilor respective face ca sistemele care depind de această proprietate să fie foarte sensibile. Acest aspect a reprezentat o dificultate majoră pentru cercetătorii în ştiinţele computerelor cuantice care au nevoie ca stările cuantice să dureze destul de mult timp pentru a efectua calculele necesare.
Măsurătorile fine
Cercetătorii au sugerat că poate fi posibil, în principiu, să se efectueze măsurători care sunt suficient de “fine” pentru a nu distruge stările cuantice. Ideea e aceea de a măsura ceva într-un mod mai puţin direct decât acela de a stabili dacă bitul ia valoarea 1 sau 0 – echivalentul de a privi la pisica lui Schrödinger printr-un geam fumuriu. Acest lucru nu-ţi va permite să obţii o informaţie “exactă” – adică dacă pisica e vie sau moartă - dar ai putea să detectezi alte proprietăţi utile.
R. Vijay şi colegii lui de la Universitatea California, Berkeley au reuşit să creeze un echivalent funcţional al acelor geamuri fumurii. "Deschidem cutia doar parţial," afirmă Vijay.
Echipa de cercetători a început cu un circuit supraconductor minuscul folosit în mod regulat ca qubit în computerele cuantice şi l-au plasat într-o superpoziţie prin schimbarea stărilor între 0 şi 1 astfel încât în mod repetat se obţineau toate combinaţiile mixte de stări între 0 şi 1.
A fost apoi măsurată frecvenţa acestei oscilaţii. Aceasta este în mod intrinsec o măsurare mai puţin esenţială decât determinarea dacă bitul a luat valoarea 1 sau 0 în orice punct, deci ideea a fost că ar putea fi posibil să se facă acest lucru fără a forţa qubitul să aleagă între 1 şi 0. Apare însă şi o complicaţie în acest experiment.
Stabilizatorul (stimulatorul cardiac) cuantic
Chiar dacă măsurătorile au fost destul de fine să nu distrugă superpoziţia cuantică, măsurătorile au introdus totuşi schimbări aleatoare ale ratei oscilaţiei. Acest lucru nu a putut fi prezis, dar echipa a fost capabilă să facă măsurătorile foarte repede, permiţându-le acestora să injecteze o schimbare egală, dar opusă în sistem care a readus astfel frecvenţa qubitului la valoarea pe care ar fi luat-o dacă nu ar fi fost efectuate măsurători deloc.
Acest feedback e similar cu ce se întâmplă în cazul unui stimulator cardiac: dacă sistemul se abate prea mult de la starea dorită, fie că aceasta este o stare de pulsare constantă a inimii sau o superpoziţie de 1 şi 0, poţi să-i dai un mic impuls pentru a-l readuce în starea în care ar trebui să fie.
Echipa lui Vijay nu a fost prima care să vină cu ideea aceasta de a folosi un feedback pentru a controla sistemele cuantice, dar factorul limitator în trecut a fost faptul că măsurătorile destul de fine cât să nu deranjeze sistemul cuantic ofereau semnale prea mici pentru a fi detectate sau corectate, în timp ce măsurători mai mari introduceau zgomot de fond în sistem, care era prea mare pentru a fi controlat.
Corectarea erorilor
Vijay şi colegii lui au folosit un nou tip de amplificator, care le-a permis să mărească semnalul fără a-l contamina. Au descoperit că qubitul în cauză a rămas în starea lui oscilantă pe întreaga durată a experimentului. Acesta a durat doar o sutime de secundă, dar, în mod decisiv, acest fapt a însemnat că qubitul a supravieţuit procesului de măsurare.
"Această demonstraţie arată că suntem aproape de rezultatul dorit, şi anume acela de a putea implementa un sistem de control al erorilor cuantice, " afirmă Vijay. Astfel de control poate fi folosit să prelungească superpoziţia qubiţilor, prin corectarea automată a qubiţilor care ar fi aproape de colapsul superpoziţiei.
Rezultatul nu este perfect, afirmă Howard Wiseman de la Universitatea Griffith din Brisbane, Australia, într-un articol care însoţeşte articolul echipei de cercetători. "Dar, comparativ cu rezultatul fără feedback, complet imprevizibil într-un orizont de timp de doar câteva microsecunde, stabilizarea observată a ciclului qubitului este un pas mare înainte în controlul feedback-ului primit de la un qubit individual."
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului Quantum measurements leave Schrödinger's cat alive, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Mihai Panoschi
