Även i världen av de minsta partiklarna med sina egna speciella regler, saker kan inte gå oändligt snabbt. Fysiker vid universitetet i Bonn har nu visat vad hastighetsgränsen är för komplexa kvantoperationer. Studien involverade också forskare från MIT, universiteten i Hamburg, Köln och Padua, och Jülich Research Center. Resultaten är viktiga för realiseringen av kvantdatorer, bland annat. De publiceras i den prestigefyllda tidskriften Fysisk granskning X , och täcks av Physics Magazine of the American Physical Society.

Anta att du observerar en servitör (lockdownen är redan historia) som på nyårsafton måste servera en hel bricka med champagneglas bara några minuter före midnatt. Han rusar från gäst till gäst i högsta fart. Tack vare hans teknik, perfektion under många års arbete, han lyckas ändå inte spilla en enda droppe av den dyrbara vätskan.

Ett litet knep hjälper honom att göra detta:Medan servitören accelererar sina steg, han lutar lite på brickan så att champagnen inte rinner ur glasen. Halvvägs till bordet, han lutar den åt motsatt håll och saktar ner. Först när han har stannat helt håller han den upprätt igen.

Atomer liknar på något sätt champagne. De kan beskrivas som vågor av materia, som inte beter sig som en biljardboll utan mer som en vätska. Den som vill transportera atomer från en plats till en annan så snabbt som möjligt måste därför vara lika skicklig som servitören på nyårsafton. "Och även då, det finns en hastighetsgräns som denna transport inte får överskrida, " förklarar Dr Andrea Alberti, som ledde denna studie vid Institutet för tillämpad fysik vid universitetet i Bonn.

Cesiumatom som champagneersättning

I deras studie, forskarna undersökte experimentellt exakt var denna gräns går. De använde en cesiumatom som champagneersättning och två laserstrålar perfekt överlagrade men riktade mot varandra som en bricka. Denna superposition, kallad störning av fysiker, skapar en stående våg av ljus:en sekvens av berg och dalar som till en början inte rör sig. "Vi laddade atomen i en av dessa dalar, och satte sedan den stående vågen i rörelse - detta förskjuter läget för själva dalen, " säger Alberti. "Vårt mål var att få atomen till målplatsen på kortast möjliga tid utan att den rinner ut ur dalen, så att säga."

Det faktum att det finns en hastighetsbegränsning i mikrokosmos demonstrerades redan teoretiskt av två sovjetiska fysiker, Leonid Mandelstam och Igor Tamm för mer än 60 år sedan. De visade att den maximala hastigheten för en kvantprocess beror på energiosäkerheten, dvs. hur "fri" den manipulerade partikeln är med avseende på dess möjliga energitillstånd:ju mer energisk frihet har den, desto snabbare är det. När det gäller transport av en atom, till exempel, ju djupare dalen är i vilken cesiumatomen är fångad, ju mer spridda energierna i kvanttillstånden i dalen är, och i slutändan desto snabbare kan atomen transporteras. Något liknande kan ses i exemplet med servitören:Om han bara fyller glasen halvfullt (till gästernas förtret), han löper mindre risk att champagnen rinner över när han accelererar och bromsar. Dock, en partikels energetiska frihet kan inte ökas godtyckligt. "Vi kan inte göra vår dal oändligt djup - det skulle kosta oss för mycket energi, " betonar Alberti.

Stråla upp mig, Scotty!

Hastighetsgränsen för Mandelstam och Tamm är en grundläggande gräns. Dock, man kan bara nå det under vissa omständigheter, nämligen i system med endast två kvanttillstånd. "I vårat fall, till exempel, detta händer när utgångspunkten och destinationen är mycket nära varandra, " förklarar fysikern. "Då överlappar atomens materiavågor på båda platserna, och atomen kunde transporteras direkt till sin destination på en gång, det är, utan några stopp däremellan - nästan som teleporteringen i Starship Enterprise of Star Trek."

Dock, situationen är annorlunda när avståndet växer till flera dussintals materiavågbredder som i Bonnexperimentet. För dessa avstånd, direkt teleportering är omöjligt. Istället, partikeln måste gå igenom flera mellanliggande tillstånd för att nå sin slutdestination:Tvånivåsystemet blir ett flernivåsystem. Studien visar att en lägre hastighetsgräns gäller för sådana processer än den som förutspåtts av de två sovjetiska fysikerna:Den bestäms inte bara av energiosäkerheten, men också av antalet mellanliggande tillstånd. På det här sättet, arbetet förbättrar den teoretiska förståelsen av komplexa kvantprocesser och deras begränsningar.

Fysikernas fynd är viktiga inte minst för kvantberäkningar. De beräkningar som är möjliga med kvantdatorer är för det mesta baserade på manipulation av flernivåsystem. Kvanttillstånd är mycket ömtåliga, fastän. De håller bara en kort tid, som fysiker kallar koherenstid. Det är därför viktigt att packa in så många beräkningsoperationer som möjligt i denna tid. "Vår studie avslöjar det maximala antalet operationer vi kan utföra under koherenstiden, Alberti förklarar. "Detta gör det möjligt att utnyttja det optimalt."