Если квантовая теория верна, то от таких квантовых частиц как атомы, можно ожидать очень странного поведения. Но несмотря на хаос, коим может показаться квантовая физика, в этом удивительном мире крошечных частиц действуют свои собственные законы. Недавно команде ученых из Университета Бонна удалось доказать, что в квантовом мире – на уровне сложных квантовых операций – действует ограничение скорости. Атомы, будучи маленькими неделимыми частицами, в некотором смысле напоминают пузырьки шампанского в бокале. Описать их можно как волны материи, однако их поведение больше напоминает бильярдный шар а не жидкость. Каждый, кому в голову придет идея очень быстро переместить атом из одного места в другое, должен действовать со знанием дела и сноровкой как у опытного официанта на банкете – не пролив ни капли шампанского из десятка бокалов на подносе, лавируя между столиками. Но даже в таком случае экспериментатор столкнется с определенным ограничением скорости – лимитом, превысить который невозможно. Полученные в ходе исследования результаты важны для работы квантовых компьютеров, а эта область, как наверняка знает уважаемый читатель, в последние годы активно развивается.

Квантовая физика интригует, так как содержит в своей основе некоторую тайну.

Ограничение скорости на примере атома цезия

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review X, физикам удалось экспериментально доказать существование лимита скорости во время сложных квантовых операций. В ходе работы ученые из Университета Бонна, а также физики из Массачусетского технологического института (MIT), Исследовательского центра Юлиха, университетов Гамбурга, Кельна и Падуи экспериментальным путем выяснили где именно проходит ограничение.

Для этого авторы научной работы взяли атом цезия и направили два идеально наложенных друг на друга лазерных луча друг против друга. Цель исследования заключалась в максимально быстрой доставке атома цезия в нужное место таким образом, чтобы атом не «выпал» из обозначенной «долины», как капля шампанского из бокала. Такую суперпозицию физики называют инферференцией, она создает стоячую световую волну, которая напоминает изначально недвижимую последовательность «гор» и «долин». В ходе эксперимента физики загрузили атом цезия в одну из таких «долин», а затем привели в движение стоячую световую волну, которая сместила положение «долины».

Стоячая электромагнитная волна — периодическое изменение амплитуды напряженности электрического и магнитного полей вдоль направления распространения, вызванное интерференцией падающей и отраженной волн.

Автор исследования Маноло Ривера Лам (слева) и ведущий автор научной работы доктор Андреа Альберти (справа) из Института прикладной физики Университета Бонна. университета.

Сам факт того, что в микромире существует ограничение скорости, был теоретически продемонстрирован более 60 лет назад двумя советскими физиками Леонидом Мандельштамом и Игорем Таммом. Они показали, что максимальная скорость в квантовых операциях зависит от энергетической неопределенности, то есть от того, насколько «свободна» манипулируемая частица по отношению к своим возможным энергетическим состояниям: чем больше у нее энергетической свободы, тем она быстрее. Например, в случае транспортировки атома цезия, чем глубже «долина», в которую попадает атом, тем более распределены энергии квантовых состояний в «долине», и в конечном итоге тем быстрее атом можно переместить.

Нечто похожее можно увидеть внимательно наблюдая за официантом в ресторане: если он наполняет бокалы наполовину (по требованию гостя), то шансы пролить шампанское уменьшаются, несмотря на скорость, с которой официант разливает напиток. Тем не менее энергетическую свободу отдельно взятой частицы нельзя просто так взять и увеличить. «Мы не можем сделать нашу «долину» бесконечно глубокой, потому что это требует слишком много энергии», – пишут авторы исследования.

Новые результаты для науки

Ограничение скорости, предложенное Мандельштамом и Таммом фундаментальное. Однако достигнуть его можно при определенных обстоятельствах, а именно в системах только с двумя возможными квантовыми состояниями. В случае проведенного исследования, например, это происходило когда пункт отправления и пункт назначения находились чрезвычайно близко друг к другу. «Тогда волны материи атома в обоих местах накладываются друг на друга, и атом может быть доставлен прямо к месту назначения за один раз, то есть без каких-либо промежуточных остановок. Это похоже на телепортацию в сериале «Звездный Путь», – рассказали авторы исследования изданию Phys.org.

И все же, ситуация меняется, когда расстояние между пунктом отправления и пунктом назначения увеличивается до нескольких десятков значений волны материи, как в эксперименте исследователей из Университета Бонна. На такие расстояния прямая телепортация невозможна. Вместо телепортации, чтобы достигнуть пункта назначения, частица должна пройти ряд промежуточных расстояний: и именно здесь ситуация из двухуровневой переходит в многоуровневою.

В мире атомов действуют свои собственные законы, часто непонятные и незаметные для стороннего наблюдателя.

Результаты исследования показали, что к таким процессам применяется более низкий предел скорости, чем обозначили советские ученые: он определяется не только неопределенностью энергии, но и числом промежуточных состояний. Все вышеописанное означает, что новое исследование улучшает теоретическое понимание сложных квантовых процессов и ограничений.

Атомы и квантовые компьютеры

Как отмечают физики, полученные результаты применимы в области квантовых компьютеров. Все потому, что проведенный эксперимент посвящен переносу атома, а подобные процессы происходят и в квантовом компьютере. Когда квантовые биты реализуются атомами, они должны перенестись из одной области процессора в другую. Это именно тот процесс, который нужно делать очень быстро, иначе вся его связность пропадет. Благодаря квантовому пределу скорости теперь можно точно предсказать, какая скорость теоретически возможна.

Так так выглядит 50-кубитный квантовый компьютер IBM.

Для квантовых компьютеров, однако, полученные результаты не означают предел вычислительной скорости. Тот факт, что квантовый компьютер может вычислять так быстро, в первую очередь связан не с длительностью как таковой, а скорее с количеством операций. Квантовому компьютеру для выполнения определенной задачи требуется гораздо меньше операций, чем обычному компьютером. Вычисление с помощью квантового компьютера похоже на поиск выхода из лабиринта без необходимости последовательно проверять все возможные пути. Именно в этом и заключается ускорение: нужно только один раз отправить квантовый компьютер через лабиринт, в то время как с классическим компьютером нужно опробовать очень большое количество вариантов один за другим.

По мнению ведущего автора исследования Андреа Альберти, в этом смысле нет никаких последствий для вычислительной мощности квантового компьютера. Но квантовый предел скорости интересен и по другой причине – обнаруженный предел показывает, что возможно выполнение значительно большего числа операций, чем считалось раньше.