Salturile cuantice sunt reale – iar acum le putem controla

Timp de peste un secol, fizicienii au vâslit despre adevărata natură a unui salt cuantic. Există acum un răspuns și, într-o formă cuantică adevărată, toată lumea avea puțin dreptate.

Expresia „salt cuantic” a suferit un pic de bătaie în ultimele decenii – pentru mulți oameni își va aminti un clișeu pentru o schimbare masivă sau programul TV SF cu Scott Bakula. De fapt, descrie una dintre principiile de bază ale fizicii cuantice: că atomii au niveluri de energie discrete, iar electronii dintr-un atom pot sări de la un nivel de energie la altul, dar nu pot fi observați între acele nivele specifice.

Titanii fizicii, inclusiv Niels Bohr, care a introdus ideea în 1913, Erwin Schrödinger și Albert Einstein s-au ciocnit în privința specificului acestor salturi – cunoscute și sub denumirea de salturi cuantice – în special în ceea ce privește dacă acestea au fost instantanee și dacă sincronizarea lor a fost aleatorie.

Acum, Zlatko Minev de la Universitatea Yale și colegii săi au soluționat dezbaterea. „Dacă mărim la o scară foarte fină, saltul nu este nici instantaneu, nici atât de complet aleatoriu pe cât am crezut că este”, spune Minev.

Cercetătorii au realizat acest lucru prin construirea unui circuit electric supraconductor cu comportament cuantic care îl face un analog cu atomul cu trei niveluri de energie: starea fundamentală, care este starea implicită a atomului, o stare „luminoasă” conectată la starea fundamentală și un „ întuneric” stare în care atomul poate sări.

Au tras un fascicul de microunde către atomul artificial pentru a injecta energie în sistem. În general, atomul a sărit rapid între starea fundamentală și starea strălucitoare, emițând un foton de fiecare dată când a sărit de la strălucitor la sol. Dar dacă atomul ar absorbi un foton de energie mai mare din fascicul, acesta ar trece în starea întunecată. Starea întunecată era mai stabilă decât starea strălucitoare, așa că atomul ar rămâne acolo mai mult timp fără a emite niciun foton.

Din aceste semnale, cercetătorii au reușit să spună când a început un salt cuantic, căutând un fulger de lumină din starea strălucitoare, urmat de o pauză în timp ce atomul a sărit în starea întunecată. Minev îl compară cu prezicerea unei erupții vulcanice. „Este un fenomen aleatoriu, nimeni nu poate prezice când va avea loc următoarea erupție vulcanică, totuși, înainte ca următoarea erupție să aibă loc, există anumite semnale în pământ pe care le putem detecta și folosi ca avertisment”, spune el.

Acalmierea luminii de la atom este echivalentă cu acele semnale de avertizare seismică. Pe perioade de timp mai lungi, este imposibil de prezis când va avea loc următorul salt, așa cum credea Bohr – dar pe perioade mai scurte de doar câteva microsecunde, acestea sunt. „Faptul că un astfel de salt cuantic a fost văzut într-un circuit supraconductor, mai degrabă decât într-un atom, indică faptul că putem controla acest circuit supraconductor în moduri în care nu putem controla atomii naturali”, spune William Oliver de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts. Într-o zi ar trebui să putem face același lucru cu atomi reali, spune el.

This control allowed the team to do something that Bohr and his contemporaries would have deemed impossible – controlling a quantum leap. If, just after the jump had started, the researchers hit the atom with an electrical pulse, they could intercept it and send the atom back to the ground state – something which would not have been possible if quantum leaps were truly instantaneous and random. Instead, they found that the leaps took the same path between the two energy levels every time, so it was easy to predict how to bounce them back.

This shows that, as Schrödinger insisted, quantum leaps are not instantaneous – they actually take about four microseconds. “In a sense the jumps aren’t jumps,” says Minev. “If you look at these finer features, you can do things that maybe you thought you couldn’t do because of these little windows of predictability.” This may eventually be useful to correct errors in quantum computing, Minev says. An unexpected quantum jump could mark a mistake in calculations, and this method might allow researchers to spot the start of the jump and account for the error, or even reverse it mid-leap. “This is a very important scientific result, and its relevance to quantum computers of the future is going to depend on what quantum computers of the future look like,” says Oliver.