В классической физике есть похожая концепция, называемая «путь наименьшего действия». Если вы бросите мяч другу, мяч будет летать по параболе в пространстве. Он не следует по извилистому пути или зацикливанию, потому что эти пути имеют более высокие «действия», чем истинный путь.Но какими путями следуют квантовые частицы, такие как атомы или фотоны?
Для этих частиц перестают применяться законы классической физики, и берут верх квантовая физика с ее противоречивыми эффектами.Квантовые частицы могут существовать в суперпозиции состояний, но как только квантовые частицы «касаются» внешнего мира, они теряют эту квантовую странность и коллапсируют до классически разрешенного состояния. Из-за этой уклончивости до недавнего времени было невозможно наблюдать их в квантовом состоянии.
Но за последние 20 лет физики изобрели устройства, которые изолируют квантовые системы от окружающей среды и позволяют исследовать их настолько осторожно, что они не разрушаются сразу. С помощью этих устройств ученые могут, наконец, проследить за квантовыми системами на квантовую территорию или пространство состояний.Катер Марч, доктор философии, доцент кафедры физики Вашингтонского университета в Сент-Луисе, и соавторы Стивен Вебер и Ирфан Сиддики из лаборатории квантовой наноэлектроники Калифорнийского университета в Беркли использовали сверхпроводящее квантовое устройство для непрерывной записи дрожащих путей. квантовая система находилась между суперпозицией состояний и одним из двух классически разрешенных состояний.
Поскольку даже легкое зондирование делает каждую квантовую траекторию шумной, команда Марча повторила эксперимент миллион раз и исследовала, какие пути наиболее распространены. Квантовый эквивалент классического пути «наименьшего действия» — или пути желания квантового устройства — возник в результате паутины многих путей, точно так же, как пешеходные пути желаний постепенно появляются после того, как уложен новый дерн.Эксперименты, первые непрерывные измерения траекторий квантовой системы между двумя точками, описаны в статье на обложке журнала Nature от 31 июля.
«Мы работаем с простейшей возможной квантовой системой», — сказал Марч. «Но понимание квантовых взаимодействий, которое мы получаем, в конечном итоге может быть полезно для квантового контроля биологических и химических систем.«Химия на самом базовом уровне описывается квантовой механикой», — сказал он. «За последние 20 лет химики разработали метод, называемый квантовым контролем, в котором лазерные импульсы определенной формы используются для запуска химических реакций, то есть для перевода их между двумя квантовыми состояниями. Химики управляют квантовым полем с помощью лазера и это поле контролирует динамику реакции », — сказал он.
«В конце концов, мы сможем управлять динамикой химических реакций с помощью лазеров вместо того, чтобы просто смешивать реагент 1 с реагентом 2 и позволять реакции развиваться самостоятельно», — сказал он.Искусственный атом Устройство, которое Марч использует для исследования квантового пространства, представляет собой простую сверхпроводящую схему. Поскольку он имеет квантованные уровни энергии или состояния, как атом, его иногда называют искусственным атомом.
Команда Марча использует два нижних энергетических уровня, основное состояние и возбужденное состояние, в качестве своей модели квантовой системы.Между этими двумя состояниями существует бесконечное количество квантовых состояний, которые являются суперпозициями или комбинациями основного и возбужденного состояний.
В прошлом эти состояния были бы невидимы для физиков, потому что попытки их измерить вызвали бы немедленный коллапс системы.Но устройство Марча позволяет многократно исследовать состояние системы, прежде чем она станет по сути классической системой.
Квантовое состояние схемы определяется помещением ее в микроволновую печь. Очень небольшое количество микроволновых фотонов отправляется в ящик, где их квантовые поля взаимодействуют со сверхпроводящей цепью.
Микроволны настолько далеки от резонанса со схемой, что не могут управлять ею между землей и возбужденным состоянием. Таким образом, вместо того, чтобы поглощаться, они оставляют коробку с информацией о квантовой системе в виде фазового сдвига (положение впадин и пиков волновых функций фотонов).Хотя есть информация о квантовой системе в существующих микроволнах, это лишь небольшой объем информации.«Каждый раз, когда мы подталкиваем систему, происходит что-то другое», — сказал Марч. «Это потому, что фотоны, которые мы используем для измерения квантовой системы, также являются квантово-механическими и демонстрируют квантовые флуктуации.
Поэтому требуется множество из этих измерений, чтобы отличить сигнал системы от квантовых флуктуаций исследующих его фотонов». Или, как говорят физики, это слабые измерения.Марч сравнивает эти эксперименты с футбольными матчами, которые, в конечном итоге, представляют собой эксперименты с целью определить, какая команда лучше.
Но поскольку в футболе забивается так мало голов, а это зачастую удачные удары, у менее опытной команды есть хорошие шансы на победу. Или, как мог бы выразиться Марч, один футбольный матч — это настолько слабое измерение навыков команды, что его нельзя использовать для статистически надежного вывода о том, какая команда более квалифицирована.Каждый раз, когда команда забивает гол, становится несколько более вероятным, что эта команда является лучшей командой, но командам придется сыграть много игр или сыграть очень долго, чтобы знать наверняка. Именно эти колебания делают футбольные матчи такими увлекательными.
По сути, Марч может наблюдать за миллионами этих матчей, и из всех матчей, в которых побеждает команда B, он может определить наиболее вероятный путь развития игры, завершившейся победой команды B.Линия желания Итак, каков наиболее вероятный путь для квантовой системы, которая медленно коллапсирует от суперпозиции состояний к одному из двух конечных состояний?
«Перед тем, как мы начали этот эксперимент, — сказал Марч, — я спросил всех в лаборатории, каким, по их мнению, будет наиболее вероятный путь между квантовыми состояниями. Я нарисовал на доске несколько вариантов: прямая линия, выпуклая кривая, вогнутая кривая, волнистая линия … Я прошел опрос, и мы все угадали разные варианты. Вот мы, группа экспертов по квантовой теории, и у нас не было абсолютно никакого интуиции относительно наиболее вероятного пути ».
Эндрю Н. Джордан из Университета Рочестера и его студенты Ария Чантасри и Джастин Дрессел вдохновили исследование, разработав теорию для предсказания вероятного пути. Их теория предсказывала, что правильным путем будет выпуклая кривая, нарисованная Марчем на белой доске.
«Когда мы посмотрели на данные, мы увидели, что теоретики были правы. Наши очень умные сотрудники разработали« принцип наименьшего действия », который работает в квантовом случае», — сказал Марч.Они обнаружили линию желаний квантовой системы математически и расчетным путем до того, как множество микроволновых фотонов проложили путь в лаборатории Марча.
Но как однажды сказал известный физик Ричард Фейнман: «Неважно, насколько прекрасна ваша теория, не имеет значения, насколько вы умны. Если она не согласуется с экспериментом, это неверно».
И он был теоретиком.