Yale -forskare har kommit på hur man kan fånga och rädda Schrödingers berömda katt, symbolen för kvantöverlagring och oförutsägbarhet, genom att förutse sina hopp och agera i realtid för att rädda det från ordspråklig undergång. I processen, de välter år av hörnsten dogma i kvantfysik.

Upptäckten gör det möjligt för forskare att inrätta ett tidigt varningssystem för överhängande hopp av artificiella atomer som innehåller kvantinformation. En studie som tillkännager upptäckten visas i den 3 juni onlineutgåvan av tidningen Natur .

Schrödingers katt är en välkänd paradox som används för att illustrera begreppet superposition-förmågan för två motsatta tillstånd att existera samtidigt-och oförutsägbarhet i kvantfysiken. Tanken är att en katt placeras i en förseglad låda med en radioaktiv källa och ett gift som kommer att utlösas om en atom av det radioaktiva ämnet sönderfaller. Superpositionsteorin om kvantfysik tyder på att tills någon öppnar lådan, katten är både levande och död, en överlagring av stater. Att öppna lådan för att observera katten får den att plötsligt ändra sitt kvanttillstånd slumpmässigt, tvinga den att vara antingen död eller levande.

Kvanthoppet är den diskreta (icke-kontinuerliga) och slumpmässiga förändringen i tillståndet när det observeras.

Experimentet, utförd i Yale -professorn Michel Devorets laboratorium och föreslagen av huvudförfattaren Zlatko Minev, tittar in på det verkliga arbetet med ett kvanthopp för första gången. Resultaten avslöjar ett överraskande fynd som motsäger danska fysikern Niels Bohrs etablerade uppfattning - hoppningarna är varken abrupta eller så slumpmässiga som man tidigare trott.

För ett litet föremål som en elektron, molekyl, eller en artificiell atom som innehåller kvantinformation (känd som en qubit), ett kvanthopp är den plötsliga övergången från ett av dess diskreta energitillstånd till ett annat. Vid utveckling av kvantdatorer, forskare avgörande måste hantera qubits hopp, som är manifestationer av fel i beräkningar.

De gåtfulla kvanthoppet teoretiserades av Bohr för ett sekel sedan, men observerades inte förrän på 1980 -talet, i atomer.

"Dessa hopp sker varje gång vi mäter en qubit, "sa Devoret, F.W. Beinecke professor i tillämpad fysik och fysik vid Yale och medlem av Yale Quantum Institute. "Kvanthopp är kända för att vara oförutsägbara i längden."

"Trots att, "tillade Minev, "Vi ville veta om det skulle vara möjligt att få en varningssignal i förväg om att ett hopp snart kommer att inträffa."

Minev noterade att experimentet var inspirerat av en teoretisk förutsägelse av professor Howard Carmichael vid University of Auckland, en pionjär inom kvantbana teori och en medförfattare till studien.

Förutom dess grundläggande inverkan, upptäckten är ett potentiellt stort framsteg när det gäller att förstå och kontrollera kvantinformation. Forskare säger att tillförlitlig hantering av kvantdata och korrigering av fel när de uppstår är en viktig utmaning i utvecklingen av fullt användbara kvantdatorer.

Yale -teamet använde ett speciellt tillvägagångssätt för att indirekt övervaka en supraledande artificiell atom, med tre mikrovågsgeneratorer som bestrålar atomen innesluten i en 3D-kavitet gjord av aluminium. Den dubbel indirekta övervakningsmetoden, utvecklad av Minev för supraledande kretsar, tillåter forskarna att observera atomen med oöverträffad effektivitet.

Mikrovågsstrålning rör om den artificiella atomen när den samtidigt observeras, vilket resulterar i kvanthopp. Den lilla kvantsignalen från dessa hopp kan förstärkas utan förlust till rumstemperatur. Här, deras signal kan övervakas i realtid. Detta gjorde det möjligt för forskarna att se en plötslig frånvaro av detekteringsfotoner (fotoner som avges av ett tillhörande tillstånd av atomen som exciteras av mikrovågorna); denna lilla frånvaro är varningen i förväg om ett kvanthopp.

"Den vackra effekten som visas av detta experiment är ökningen av koherens under hoppet, trots dess observation, "sa Devoret. Lade till Minev, "Du kan utnyttja detta för att inte bara fånga hoppet, men vänd det också. "

Detta är en avgörande punkt, sa forskarna. Medan kvantehopp verkar diskreta och slumpmässiga i längden, att vända ett kvanthopp betyder att kvanttillståndets utveckling har, till viss del, en deterministisk och inte slumpmässig karaktär; hoppet sker alltid i samma, förutsägbart sätt från dess slumpmässiga utgångspunkt.

"Kvanthopp av en atom är något analogt med en vulkanutbrott, "Minev sa." De är helt oförutsägbara på lång sikt. Ändå, med rätt övervakning kan vi med säkerhet upptäcka en varning i förväg om en överhängande katastrof och agera på den innan den har inträffat.