Jak zachránit Schrödingerovu kočku. Kredit: Kat Stockton / Yale University.

Schrödingerovu kočku není nutné představovat. Nejslavnější myšlenkový experiment si žije vlastním životem, záhadný, odtažitý a přítulný zároveň, prostě jako kočka. Anebo nežije? Schrödingerova kočka je zosobněním podivuhodné kvantové superpozice, ve které mohou existovat dva protikladné stavy určitého jevu zároveň. Kočka je živá a mrtvá současně, dokud někdo neotevře krabici. Pak nastane náhlý a náhodný kvantový skok do jednoho ze zmíněných dvou stavů. Tak to alespoň viděl slavný dánský fyzik Niels Bohr, jehož názor dnes převládá.

Zlatko Minev. Kredit: Z. Minev.

Zlatko Minev z americké Yale University a jeho tým přišli na to, jak Schrödingerovu kočku chytit a zachránit tím, že budou předvídat její pohyby v reálném čase. Svým výzkumem prorazili letité dogma kvantové fyziky. Jejich postup umožňuje vybudovat systém včasného varování pro následující pohyby umělých atomů, které nesou kvantovou informaci. Jejich výzkum právě uveřejnili v časopisu Nature.

Minev a spol. uspořádali experiment, jehož cílem bylo poprvé detailně pozorovat, jak vlastně takový kvantový skok probíhá. A bylo z toho pořádné překvapení. Fyzici totiž zjistili, že to podle Bohrových představ zrovna moc nefunguje. Kvantové skoky nejsou ani tak náhlé, ani tak náhodné. Pro nepatrné objekty jako jsou třeba molekuly, elektrony anebo umělé atomy obsahující kvantovou informaci v podobě qubitů, je kvantový skok náhlý přechodem z jednoho energetického stavu do jiného. Tohle hraje velmi důležitou roli ve vývoji kvantových počítačů. Jejich tvůrci s tím musí počítat, protože kvantové skoky qubitů se projevují jako chyby ve výpočtech.

Nejslavnější experiment s kočkou, při němž kočku nevyhazujete z okna. Kredit: Dhatfield / Wikimedia Commons.

Fenomén kvantových skoků popsal právě Bohr asi před stoletím. Byly ale pozorovány až v osmdesátých letech a to v atomech. Ke kvantovému skoku v qubitu dojde pokaždé, když jako takový qubit změřen. Minev a spol. chtěli vědět, jestli je možné najít signál, který kvantovému skoku bezprostředně předchází. Za tím účelem nepřímo sledovali supravodivý umělý atom, uzavřený ve 3D dutině vytvořené z hliníku, který ozařovali třemi generátory mikrovlnného záření. Ke sledování atomu použili metodu, kterou již dříve sami vyvinuli pro supravodivé obvody, a s jejíž pomocí mohli nepřímo pozorovat umělý atom s nebývalou přesností.

Atom v jejich experimentu kvantově „skákal“, přičemž experiment dokázal zesilovat nepatrné signály těchto kvantových skoků. Minevův tým to všechno sledoval v reálném čase. Badatelé zjistili, že těsně před kvantovým skokem jejich systém náhle krátce přestane detekovat fotony, které vyzařuje umělý atom, když ho excitují mikrovlny. Právě tahle absence detekovaných fotonů se ukázala být spolehlivým signálem, že bezprostředně poté dojde ke kvantovému skoku.

V experimentu také docházelo k tomu, že během kvantového skoku narůstala koherence qubitu, přestože probíhalo jeho pozorování. Podle Mineva a spol. je díky tomu možné s kvantovým skokem manipulovat anebo ho dokonce zvrátit. A zachránit tím Schrödingerovu kočku. To je podle nich klíčové. Znamená to, že i když je kvantový skok jako celek náhlý, jednorázový a náhodný, tak vývoj kvantového stavu nemá náhodný charakter. Skok sice začíná z náhodného bodu, ale jeho průběh je pevně daný. Výsledky výzkumu potěší tvůrce kvantových počítačů, kteří potřebují co nejlépe ovládat qubity.

Podle Mineva připomínají kvantové skoky atomu sopečnou erupci. Sopky jsou v dlouhodobém výhledu pro naše technologie nepředpověditelné. Díky pečlivému sledování v reálném čase ale dokážeme předpovědět, že bezprostředně hrozí erupce. Pak je možné zachránit nejen kočku, ale hlavně lidi v okolí vulkánu.

Video:  How to Build an Artificial World by Zlatko Minev


Literatura
Yale University 3. 6. 2019, Nature online 3. 6. 2019.