Hovorí sa, že mačka má deväť životov. Austrálski výskumníci najnovšie ukázali, že v kvantovom svete tých životov môže byť sedem.
Výskumníci z austrálskej Univerzity Nového Južného Walesu (zľava doprava) Benjamin Wilhelm, Xi Yu, profesor Andrea Morello a Danielle Holmesová. Zdroj: UNSW Sydney. Kredit: Lee Henderson
Slávny kozmológ na vozíčku Stephen Hawking nemal Schrödingerovu mačku rád. Toto čudné stvorenie zavreté v škatuli spolu s rádioaktívnym atómom vymyslel v roku 1935 jeden z tvorcov kvantovej teórie Erwin Schrödinger. Demonštroval tak zvláštnosti svojej rovnice, ktorá položila základy kvantovej teórii.
Samotná mačka, ktorú nevidíme, sa totiž nachádza v znepokojujúcej superpozícii medzi životom a smrťou, zatiaľ čo z reálneho sveta vieme, že môže byť len v jednom takomto stave. O tom, ako sa mačke darí, či sa teda už rozpadol (alebo nerozpadol) rádioaktívny atóm, ktorý je spolu s ňou v škatuli, rozhodne až pozorovateľ, ktorý sa odváži zistiť reálny stav vecí a škatuľu otvoriť. Prípadne ňou aspoň zatriasť.
Hawking v jednom rozhovore vyhlásil: „Aby som parafrázoval Göringa, vždy, keď počujem o Schrödingerovej mačke, siaham po svojej pištoli.“ Napriek britskému géniovi však toto chlpaté stvorenie úspešne žije-nežije svojím položivotom a máta vedcov aj po deväťdesiatich rokoch od chvíle, čo ho rakúsky fyzik uviedol do siene vedeckých kuriozít.
Význam tohto myšlienkového paradoxu potvrdil experiment inžinierov z austrálskej Univerzity Nového Južného Walesu (UNSW) v Sydney, ktorí v spolupráci s kolegami dokázali Schrödingerovu mačku využiť na nájdenie nového, robustnejšieho spôsobu kvantových výpočtov a súčasne aj na opravy chýb, čo je jedna z najväčších prekážok na ceste k fungujúcim kvantovým počítačom.
Hovorí sa, že mačka má deväť životov. Austrálski výskumníci najnovšie ukázali, že v kvantovom svete tých životov môže byť sedem. Zdroj: UNSW Sydney. Credit: Richard Freeman
Atómové zviera
Zopakujme si pre istotu základné podmienky experimentu. V kvantovej mechanike platí, že pokiaľ atóm nemôžeme pozorovať priamo, nachádza sa v superpozícii, teda vo viacerých stavoch súčasne, tak ako aj naša mačka. „Nikto ešte nevidel skutočnú mačku, ktorá by bola mŕtva aj živá zároveň, no v tomto prípade sa používa ako metafora na opis superpozície rozdielnych kvantových stavov,“ povedal profesor UNSW Andrea Morello, vedúci výskumného tímu, ktorého štúdiu publikoval časopis Nature Physics.
Pri tomto experimente výskumný tím použil atóm, ktorý je oveľa zložitejší ako štandardné qubity (kvantové stavebné bloky). „V našej práci predstavuje mačku atóm antimónu,“ povedal Xi Yu, hlavný autor článku. „Ide o ťažký atóm s veľkým jadrovým spinom, teda veľkým magnetickým dipólom. Spin antimónu môže mať osem rôznych smerov namiesto dvoch. Možno sa to nezdá zasa tak veľa, ale v skutočnosti to úplne mení správanie systému.“
Superpozícia spinu antimónu smerujúceho opačnými smermi totiž nie je len superpozíciou hore a dole; mačka teda nie je iba mŕtva alebo iba živá, ale má osem rôznych stavov, pretože existuje viacero kvantových stavov oddeľujúcich dve vetvy superpozície. Prináša to zaujímavé možnosti pre vedcov, ktorí pracujú na stavbe kvantového počítača s použitím jadrového spinu atómu ako základného stavebného kameňa.
„Ako základná jednotka kvantovej informácie sa bežne používa kvantový bit alebo qubit, teda objekt opísaný iba dvoma kvantovými stavmi,“ povedal spoluautor štúdie Benjamin Wilhelm. „A ak je qubitom spin, môžeme nazvať ako spin down stav 0 a spin up ako stav 1. Ak sa však smer spinu náhle zmení, zrazu máme logickú chybu: 0 sa premení na 1 alebo naopak. To je dôvod, prečo je kvantová informácia taká krehká.“
Atóm antimónu má však osem rôznych smerov spinu, a ak je poloha 0 zakódovaná ako mŕtva mačka a 1 ako živá, jediná chyba už na zmenu kvantového kódu nestačí.
„Ako hovorí príslovie, mačka má deväť životov, a ani v našom prípade jeden malý škrabanec na jej tvári nestačí na to, aby ju zabil. Naša metaforická mačka má sedem životov, bolo by teda potrebných sedem po sebe idúcich chýb, aby sa 0 zmenila na 1! V tomto zmysle je superpozícia stavov spinu antimónu v opačných smeroch makroskopická,“ vysvetlil Xi Yu.
Chlpaté stvorenie máta vedcov aj po deväťdesiatich rokoch od chvíle, čo ho rakúsky fyzik uviedol do siene vedeckých kuriozít. Zdroj: iStock.com/summerphotos
Viac priestoru pre chyby
Antimónová „mačka“ je zabudovaná vnútri kremíkového kvantového čipu podobného tým, ktoré máme v našich počítačoch a mobilných telefónoch, ale je prispôsobená na prístup ku kvantovému stavu jediného atómu. Čip vyrobila Dr. Danielle Holmesová z UNSW, atóm antimónu vložili do čipu jej kolegovia z Melbournskej univerzity.
„Tým, že sme atómovú Schrödingerovu mačku umiestnili do kremíkového čipu, sme získali vynikajúcu kontrolu nad jej kvantovým stavom alebo, ak chcete, nad jej životom a smrťou,“ povedala Dr. Holmesová. „Prítomnosť ,mačky‘ v kremíku navyše znamená, že z dlhodobého hľadiska môže byť táto technológia rozšírená pomocou podobných metód, aké sa už v súčasnosti používajú na výrobu počítačových čipov.“
Význam tohto prelomu spočíva v tom, že otvára dvere novému spôsobu vykonávania kvantových výpočtov. Informácie sú stále zakódované v binárnom kóde, teda 0 alebo 1, podstatné však je, že medzi logickými kódmi takto vznikne viac priestoru pre chyby, takže po jednej alebo dokonca ani po sérii chýb sa ešte zakódovaná informácia neznehodnotí.
„Ak sa vyskytne chyba, okamžite ju zistíme a môžeme ju opraviť skôr, ako sa nahromadia ďalšie chyby. Aby sme pokračovali v metafore so Schrödingerovou mačkou, je to podobné, ako keby sme videli našu mačku vracať sa domov s veľkým škrabancom na tvári. Nie je síce ani zďaleka mŕtva, ale je nám jasné, že sa zamiešala do bitky. Môžeme zistiť, kto na našu mačku zaútočil ešte pred tým, než utrpí ďalšie zranenia, a zabrániť mu v tom.“
Hľadanie kvantových chýb a ich opravy, to je svätý grál kvantovej výpočtovej techniky a ďalším míľnikom, ktorým sa bude austrálsky tím zaoberať v spolupráci s kolegami. Ako sme už spomínali, výroba a prevádzkovanie kvantových zariadení je dielom výskumníkov z UNSW v Sydney a ich kolegov z Melbournskej univerzity. Teoretickí spolupracovníci z USA (Sandia National Laboratories a NASA Ames) spolu s kanadskou univerzitou v Calgary poskytli vzácne nápady, ako vytvoriť „kremíkovú mačku“ a ako posúdiť a využiť jej komplikovaný kvantový stav.
„Táto práca je skvelým príkladom spolupráce na otvorených hraniciach medzi poprednými svetovými tímami s komplementárnymi odbornými znalosťami,“ uviedol profesor Morello.
Zdroje: Nature Physics, Phys.org
(zh)
