O limită de viteză se aplică și în lumea cuantică

de Universitatea din Bonn

Chiar și în lumea celor mai mici particule cu propriile reguli speciale, lucrurile nu pot merge infinit de repede.

Fizicienii de la Universitatea din Bonn au arătat acum care este limita de viteză pentru operațiile cuantice complexe.

Studiul a implicat, de asemenea, oameni de știință de la MIT, universitățile din Hamburg, Köln și Padova și Centrul de cercetare Jülich.

Rezultatele sunt importante pentru realizarea computerelor cuantice, printre altele.

Acestea sunt publicate în prestigioasa revistă Physical Review X și acoperite de revista Physics a American Physical Society.

Să presupunem că observați un chelner (blocarea este deja istorică) care în ajunul Anului Nou trebuie să servească o tavă întreagă cu pahare de șampanie cu doar câteva minute înainte de miezul nopții.

Se grăbește de la oaspete la oaspete la viteză maximă.

Datorită tehnicii sale, perfecționată de-a lungul multor ani de muncă, el reușește totuși să nu verse nici măcar o picătură de prețios lichid.

Un mic truc îl ajută să facă acest lucru: În timp ce chelnerul accelerează pașii, înclină puțin tava, astfel încât șampania să nu se revărse din pahare.

La jumătatea drumului spre masă, îl înclină în direcția opusă și încetinește.

Numai când a ajuns la o oprire completă, îl ține din nou în poziție verticală.

Atomii sunt în anumite privințe asemănători cu șampania.

Ele pot fi descrise ca valuri de materie, care se comportă nu ca o bilă de biliard, ci mai mult ca un lichid.

Oricine dorește să transporte atomii dintr-un loc în altul cât mai repede posibil trebuie, prin urmare, să fie la fel de iscusit ca și chelnerul de Revelion.

„Și chiar și atunci, există o limită de viteză pe care acest transport nu o poate depăși”, explică dr. Andrea Alberti, care a condus acest studiu la Institutul de Fizică Aplicată al Universității din Bonn.

Atom de cesiu ca înlocuitor de șampanie

În studiul lor, cercetătorii au investigat experimental exact unde se află această limită.

Au folosit un atom de cesiu ca înlocuitor de șampanie și două raze laser perfect suprapuse, dar îndreptate una împotriva celeilalte ca o tavă.

Această suprapunere, numită interferență de către fizicieni, creează o undă permanentă de lumină: o succesiune de munți și văi care inițial nu se mișcă.

„Am încărcat atomul într-una din aceste văi și apoi am pus valul staționar în mișcare - acest lucru a deplasat poziția văii în sine”, spune Alberti.

„Scopul nostru a fost să ducem atomul la locația țintă în cel mai scurt timp posibil, fără ca acesta să se revărse din vale, ca să spunem așa”.

Faptul că există o limită de viteză în microcosmos a fost deja demonstrat teoretic de doi fizicieni sovietici, Leonid Mandelstam și Igor Tamm în urmă cu mai bine de 60 de ani.

Ei au arătat că viteza maximă a unui proces cuantic depinde de incertitudinea energetică, adică cât de „liberă” este particula manipulată în ceea ce privește posibilele sale stări energetice: cu cât are mai multă libertate energetică, cu atât este mai rapidă.

În cazul transportului unui atom, de exemplu, cu cât valea este mai adâncă în care este prins atomul de cesiu, cu atât sunt mai răspândite energiile stărilor cuantice din vale și, în cele din urmă, cu atât atomul poate fi transportat mai repede.

Ceva asemănător poate fi văzut în exemplul chelnerului: dacă umple paharele doar pe jumătate (spre mâna oaspeților), riscă mai puțin ca sampania să se revărseze pe măsură ce accelerează și decelerează.

Cu toate acestea, libertatea energetică a unei particule nu poate fi mărită în mod arbitrar.

„Nu ne putem face valea infinit de adâncă - ne-ar costa prea multă energie”, subliniază Alberti.

Limita de viteză a lui Mandelstam și Tamm este o limită fundamentală.

Cu toate acestea, se poate ajunge la el numai în anumite circumstanțe, și anume în sistemele cu doar două stări cuantice.

„În cazul nostru, de exemplu, acest lucru se întâmplă atunci când punctul de origine și destinație sunt foarte aproape unul de celălalt”, explică fizicianul.

„Apoi undele de materie ale atomului din ambele locații se suprapun, iar atomul ar putea fi transportat direct la destinație dintr-o singură dată, adică fără opriri între ele - aproape ca teleportarea din Întreprinderea Navei Stelare a Star Trek.

” Cu toate acestea, situația este diferită atunci când distanța crește până la câteva zeci de lățimi ale undelor de materie, ca în experimentul de la Bonn.

Pentru aceste distanțe, teleportarea directă este imposibilă.

În schimb, particula trebuie să treacă prin mai multe stări intermediare pentru a ajunge la destinația sa finală: sistemul pe două niveluri devine un sistem pe mai multe niveluri.

Studiul arată că o astfel de procesă se aplică o limită de viteză mai mică decât cea prezisă de cei doi fizicieni sovietici: este determinată nu numai de incertitudinea energetică, ci și de numărul de state intermediare.

În acest fel, lucrarea îmbunătățește înțelegerea teoretică a proceselor cuantice complexe și constrângerile lor.

Descoperirile fizicienilor sunt importante, nu în ultimul rând pentru calculul cuantic.

Calculele posibile cu computerele cuantice se bazează în cea mai mare parte pe manipularea sistemelor pe mai multe niveluri.

Cu toate acestea, stările cuantice sunt foarte fragile.

Ele durează doar o scurtă perioadă de timp, pe care fizicienii o numesc timp de coerență.

Prin urmare, este important să împachetăm cât mai multe operații de calcul posibil în acest timp.

„Studiul nostru relevă numărul maxim de operații pe care le putem efectua în timpul coerenței”, explică Alberti.

"Acest lucru face posibilă utilizarea optimă a acestuia.

"

(Fluierul)