Életben maradt Schrödinger macskája

Egy kvantum rendszer konstans, ugyanakkor gyenge méréseivel fizikusoknak sikerült szondázni egy törékeny kvantumállapotot anélkül, hogy megsemmisítették volna, vagyis mintha egy pillantást vetettek volna Schrödinger képletes macskájára, anélkül, hogy megölték volna. Az eredmény könnyebbé tesz az olyan rendszerek kezelését, melyek a kvantum világ egzotikus tulajdonságait aknázzák ki, például a kvantum számítógépekét.

A kvantum objektumok rendelkeznek azzal a bizarr, ugyanakkor hasznos tulajdonsággal, hogy egyszerre több állapotban is tudnak létezni, ezt nevezik szuperpozíciónak. Erwin Schrödinger fizikus a szuperpozíció különös következtetéseit egy dobozban elhelyezett macskával illusztrálta, aminek a sorsa egy radioaktív atomtól függ. Mivel az atom bomlását a kvantum mechanika vezérli, és csupán meghatározott számú mérés végezhető rajta, a macska valahogy egyszerre élő és holt, amíg a dobozt ki nem nyitják. „A kísérlet végén a macska állapotfüggvénye olyan, hogy a macska egy fél valószínűséggel él, és egy fél valószínűséggel halott. Heisenberg szerint – mondja Schrödinger – ha most hirtelen ránézek a macskára, attól a tekintettől a macska tényleg meghal, vagy a macska tényleg megél. Hát kérem szépen – mondta Schrödinger –, én ebből egy szót sem hiszek. Ez így nem lehet.” - ismertette a kísérlet végeredményét Teller Ede Schrödinger szemszögéből.

A szuperpozíció - elméletben - képessé teszi a kvantum számítógépek számításainak párhuzamos futását az információ kvantumbitekben való tárolásával. A hétköznapi bitekkel ellentétben ezek az úgynevezett kubitek nem veszik fel az 1 vagy 0 értéket, hanem a kettő keverékeként léteznek, csupán a méréskor állapodva meg egy határozott értéken. A szuperpozíció megsemmisülése pusztán annak a hatására, hogy rájuk pillantunk azonban egy igen törékeny rendszert eredményez, ez az egyik fő nehézség a leendő kvantumszámítógép tudósok előtt is, akiknek elég hosszan fenn kell tartaniuk a szuperpozíció, hogy számításokat végezhessenek.

Kutatók szerint az alapelveket tekintve lehetségesnek tűnik olyan mérések elvégzése, amik elég „óvatosak” a szuperpozíció fenntartásához. Az elmélet lényege, hogy valami kevésbé direktet mérjenek, minthogy egy bit 1 vagy 0 - visszatérve Schrödingerhez, olyan ez mintha egy homályos lencsén keresztül néznénk rá szegény párára. Ez nem teszi lehetővé egy „erős” információdarab kinyerését - legyen a macska élő vagy holt - viszont más tulajdonságok észlelhetők lehetnek a méréssel.

Most dr. Rajamani Vijayaraghavan, a Berkeley Egyetem fizikusa, akit kollégái a mindennapos nyelvtörés elkerülése végett leginkább Vijay-nek neveznek, csapatával megalkotta a homályos lencse működő megfelelőjét. "Csak félig nyitjuk ki a dobozt" - mondta a kutató.

A csapat egy parányi szupravezető áramkörrel dolgozott, amit a kvantum számítógépek kubitjeként szoktak alkalmazni. A kubitet szuperpozícióba helyezték, állapota ciklikusan 0 és 1 között mozgott. Ezután a csapat megmérte ennek az oszcillációnak a frekvenciáját, ami jellemzően egy gyengébb mérés, mint a bit értékének a meghatározása, ezért lehetségesnek tűnt a mérés elvégzése anélkül, hogy a kubitet választás elé állították volna, a művelet azonban egy komplikációt is eredményezett.

dr. Rajamani Vijayaraghavan

Bár elég kíméletes volt ahhoz, hogy ne semmisítse meg a kvantum szuperpozíciót, a mérés véletlenszerűen megváltoztatta a kubit frekvenciáját. A csapatnak sikerült rendkívül gyorsan elvégezni a mérést, lehetővé téve a kutatóknak egy egyenlő, ellentétes változás bevezetését a rendszerbe, ami visszatérítette a kubit rezgését a mérés előtti értékre. Ez a megoldás talán a pacemakerrel szemléltethető a legjobban. Ha a rendszer túlságosan eltér a kívánt állapottól, legyen az egy egyenletes szívverés, vagy a nullák és egyesek szuperpozíciója, vissza lehet lökni a megfelelő ritmusba.

Vijay csapata nem elsőként állt elő a visszacsatolások alkalmazásával egy kvantumrendszer szondázásához, a múltban azonban nem sikerült elég gyenge méréseket végezni ahhoz, hogy fennmaradjon a rendszer, vagy a túl gyenge mérésekből kapott jeleket nem lehetett megfelelően észlelni, túl erős volt a háttérzaj. A Berkeley kutatói egy új típusú erősítőt használtak, ami szennyeződés nélkül fedte fel a jeleket. Az eredmények szerint a kubit a kísérlet egésze során rezgő állapotában maradt. Ez csupán egy másodperc századrészét jelenti, a lényeg azonban, hogy a kubit túlélte a mérési folyamatot.

"Ez a demonstráció azt bizonyítja, hogy már szinte célba értünk, abban az értelemben, hogy képesek vagyunk megvalósítani a kvantum hibakezelést" - mondta Vijay, aki szerint módszerükkel meghosszabbítható a kvantum számításokhoz szükséges szuperpozíció, automatikusan visszatérítve az összeomlás szélére sodródó kubiteket.