Как обмануть Ньютона на квантовом уровне

Квантовый мир возможно изобразить только метафорически.
Фото с сайта abstractdigitalartgallery.com

Страсть ученых к точности и повышению разрешающей способности их приборов не знает границ, пусть они, эти границы, и суживаются до пределов отдельного атома. Ловушки для атомов кажутся им уже слишком грубыми и ненадежными, поэтому они соорудили атомный чип, посередине которого положен золотой электрод в виде нанопроволочки. Перпендикулярно ему к середине чипа подведены два оптоволоконных волновода, оставляющих над электродом дырку в виде оптической полости (саvity), в которой удерживается одиночный атом.

Если атом пребывает в «темном» cocтоянии, то свет пробника либо свободно проходит, либо рассеивается. В «светлом» же состоянии большинство падающих на атом фотонов отражаются как от зеркала или полированной поверхности. Французские ученые, опубликовавшие в журнале Nature соответствующую статью, полагают, что с помощью созданной ими оптической полости им удалось весьма точно определить наличие одноатомного кубита, то есть квантового бита.

Квантовая физика гласит, что всякие попытки измерения квантовых состояний меняют последние, что в полном соответствии с Ньютоном называется противодействием (back-action). При этом реальные изменения намного грубее, нежели требуется квантовой механикой. Вот почему на протяжении десятилетий физики изо всех сил пытались разработать неразрушающие методы воздействия, что им в какой-то мере и удалось, поскольку противодействие удается сдерживать в рамках наблюдаемого отклонения.

И все же подобное положение дел никого не удовлетворяет, поскольку back-action сдерживает полет научной мысли и фантазии, усугубляемый так называемым спонтанным рассеянием, скаттерингом. Последний приводит к нежелательному рассеянию – деградации – энергии в виде тепла. Усиление теплового колебания атомов ведет к тому, что передача квантовой информации атомными частицами нарушается. Именно это на сегодняшний день является одним из главных препятствий на светлом пути построения квантовых компьютеров, против которых окажутся бессильными хакеры.

Французы сумели осуществить оптическую детекцию атомного кубита, практически избавившись при этом от спонтанного рассеяния (в среднем менее 0,2 фотона). Для этого они измерили пропускание и отражение оптической полости, содержавшей один атом. Помимо самого кубита ученые измерили также уровень спонтанного скаттеринга, что позволяло передавать информацию с ошибкой распознавания менее 10%.

Квантовое измерение противодействия в режиме, свободном от обмена энергией, показало, что каждый случайный фотон приводил к почти полному схлопыванию квантового состояния. Новый метод имеет огромное значение не только для будущих проверок фундаментальных положений квантовой физики и механики, но также и практических попыток построения упрощенных схем квантовых компьютеров на основе нейтральных атомов. Помимо этого открывается возможность создания сверхчувствительных детекторов отдельных атомов и молекул.

Редакторы престижного научного журнала Nature были весьма благосклонны к французским коллегам. Один из них назвал свой комментарий «Утонченное измерение». Автор писал, что идеальное измерение энергетического состояния атома не должно бы воздействовать на свойства последнего. Однако до сих пор это было далеко не так, поскольку рассеяние фотонов приводило к обмену энергией с объектом измерения.

Французы обошли запрет квантовой механики, загнав атом в непостижимо малую оптическую полость («связав его нерушимыми брачными узами с полостью» – как об этом написано в оригинале). При этом состояние атома оценивалось по взаимодействию фотонов не с ним самим, а косвенным образом с полостью, поскольку в реале фотоны даже не входили в эту полость.