Физики поймали и обратили квантовый скачок

Физики из США и Новой Зеландии научились ловить и обращать вспять квантовый скачок между основным и возбужденным состоянием трехуровневого искусственного атома. Для этого ученые следили за сигналом, снимаемым со вспомогательного энергетического уровня атома. Статья опубликована в Nature, препринт работы выложен на arXiv.org.

В 1913 году Нильс Бор предложил знаменитую модель атомного ядра, в которой электроны двигаются по орбитам фиксированного радиуса и мгновенно перескакивают между орбитами при поглощении и испускании фотонов. Подробнее про эту модель можно прочитать в статьях «Атом Бора» и «Атому Бора сто лет». В течение последующих семидесяти лет физики не могли точно сказать, существуют ли квантовые скачки на самом деле. Тем не менее, в 1986 году сразу три группы ученых независимо сообщили [1,2,3] об экспериментальном наблюдении квантовых скачков. Все три группы работали с отдельными ионами бария или ртути, пойманными в радиочастотную ловушку. С тех пор ученые наблюдали квантовые скачки и для ряда других ионов или твердотельных систем (например, NV-центров в алмазе).

Разработанная в конце 1980-х годов теория квантовых траекторий предсказывает два неожиданных результата. Во-первых, в ходе скачка состояние системы эволюционирует непрерывно в течение конечного промежутка времени (а не мгновенно, как считал Бор). Во-вторых, скачку всегда предшествует скрытый период, в течение которого его можно предсказать и предотвратить, послав в систему нужный сигнал. Второй результат проще всего объяснить на примере трехуровневой системы, которая может находиться в основном |G⟩, возбужденном |D⟩ или вспомогательном |B⟩ квантовом состоянии. Состояние |B⟩ связано с детектором, состояние |G⟩ как можно лучше от него спрятано. Предположим, что система постоянно возбуждается, так что состояние |G⟩ постоянно перескакивает в состояние |D⟩ или |B⟩. Поскольку возбужденное состояние само по себе бесконечно долго существовать не может, рано или поздно система возвращается в основное состояние. Если до этого она находилась в состоянии |B⟩, детектор зарегистрирует сигнал. Если же система находилась в состоянии |D⟩, никакого сигнала не будет. Следовательно, наблюдая за сигналом, можно (хотя и не абсолютно точно) сказать, когда система находилась в возбужденном или вспомогательном состоянии. Более того, по ослаблению сигнала детектора можно догадаться, что система скоро перескочит в состояние |D⟩. Чем выше скорости возбуждения состояния |G⟩ и распада состояния |B⟩ по сравнению со скоростью распада состояния |D⟩, тем точнее можно уловить момент перехода.

Группа физиков под руководством Мишеля Деворе (Michel Devoret) реализовала такую схему на практике, подтвердила непрерывность квантового скачка, научилась его предсказывать и предотвращать. В качестве трехуровневой системы ученые использовали сверхпроводящий искусственный атом (кубит) с V-образной структурой энергетических уровней, охлажденный до температуры 0,015 кельвин. Чтобы считать сигнал с искусственного атома, ученые связывали состояние |B⟩ c оптической полостью и подключали ее к колебательному контуру. Когда атом переходил в состояние |B⟩, резонансная частота контура уменьшалась почти вдвое, в состоянии она падала всего на три процента. Наконец, ученые постоянно возбуждали атом с помощью лазера. Придерживаясь описанной выше тактики, ученые определяли, в каком состоянии атом. Чтобы сказать, находится ли он в состоянии |B⟩ с достоверностью один сигма, в среднем требовалось чуть меньше девяти секунд.

Затем ученые проверили, что предложенная схема действительно позволяет ухватить момент перехода в состояние |D⟩. Другими словами, если после «щелчка» детектора следовал достаточно долгий период затишья, исследователи замораживали эволюцию системы и аккуратно измеряли ее состояние с помощью томографии. Оказалось, что для периодов затишья короче двух микросекунд атом преимущественно находился в основном состоянии, а для периодов длиннее десяти микросекунд — в возбужденном. Для промежуточных времен состояние атома менялось непрерывно: несмотря на то, что каждое измерение давало только один из двух возможных результатов, после усреднения по большому числу измерений ученые получали плавную кривую. Такое поведение совпадало с предсказаниями теории квантовых траекторий не только качественно, но и количественно.

Наконец, ученые перепрограммировали контроллер, который управлял возбуждением атома, и заставили его посылать обращающий сигнал, как только возникали подозрения о переходе атома в возбужденное состояние. Таким образом физикам удавалось обратить квантовый скачок вспять и оставить систему в основном состоянии. Интересно, что оптимальный момент времени, в который нужно было приложить обращающий сигнал, совпадал с половиной периода перехода.

Авторы отмечают, что результаты их статьи не противоречат вероятностной природе квантовой механики. Несмотря на то, что на коротких временных отрезках физики могли предугадать состояние системы, на больших временах погрешности измерений накапливались, и поведение системы снова становилось непредсказуемым.

Идея отслеживания и контроля квантового перехода с помощью вспомогательного состояния, на которой основан эксперимент группы Деворе, далеко не нова — в настоящее время похожие схемы уже используются для корректировки ошибок в квантовом компьютере. Подробнее про такие схемы можно прочитать в статьях «„Лишний“ кубит научил квантовые компьютеры меньше ошибаться» и «Квантовая коррекция». Кроме того, состояние системы можно контролировать с помощью внешнего классического наблюдателя. Например, в октябре 2017 года ученые из Германии и Испании с помощью такого наблюдателя обратили вспять потоки тепла в термоэлектронном приборе, а в январе 2018 американские физики научились контролировать состояние трансмонного кубита.

Дмитрий Трунин