Физики из Боннского университета совместно с учеными из Массачусетского технологического института (MIT), Исследовательского центра Юлиха, университетов Гамбурга, Кельна и Падуи выяснили, что ограничение скорости существует и для сложных квантовых операций. Результаты совместной работы опубликованы в журнале Physics Magazine Американского физического общества.
Эксперты Боннского университета объяснили принцип нового эксперимента на простом примере. Предположим, вы наблюдаете за официантом, который в канун Нового года должен подать целый поднос с шампанским всего за несколько минут до полуночи. Он несется от гостя к гостю на максимальной скорости. Благодаря отработанной за долгие годы работы технике ему все же удается не пролить ни капли напитка.
В этом ему помогает небольшая хитрость: пока официант ускоряет шаги, он немного наклоняет поднос, чтобы шампанское не вылилось из бокалов. На полпути к столу он наклоняет его в противоположную сторону и замедляет ход. Только когда он полностью остановится, он снова держит его в вертикальном положении.
Атомы чем-то похожи на шампанское. Их можно описать как волны материи, которые ведут себя не как бильярдный шар, а как жидкость. Таким образом, любой, кто хочет перенести атомы из одного места в другое как можно быстрее, должен быть таким же искусным, как официант в канун Нового года. «И даже в этом случае существует ограничение скорости», — объясняет доктор Андреа Альберти, возглавлявшая это исследование в Институте прикладной физики Боннского университета.
В своем исследовании ученые экспериментально выяснили, где именно находится этот предел. Они использовали атом цезия в качестве заменителя шампанского и два лазерных луча, идеально наложенных друг на друга, но направленных друг против друга. Эта суперпозиция, которую физики называют интерференцией, создает стоячую световую волну: похоже на последовательность «гор» и «долин», которые изначально не двигаются. «Мы загрузили атом в одну из этих долин, а затем привели в движение стоячую волну — это сместило положение самой долины, — объясняет Альберти. — Наша цель состояла в том, чтобы доставить атом в нужное место в кратчайшие сроки, не выплескивая его из «долины»».
То, что в микромире существует ограничение скорости, было теоретически продемонстрировано двумя советскими физиками Леонидом Мандельштамом и Игорем Таммом более 60 лет назад. Они показали, что максимальная скорость квантового процесса зависит от неопределенности энергии. По сути, от того, насколько «свободна» управляемая частица по отношению к ее возможным энергетическим состояниям: чем больше у нее энергетической свободы, тем она быстрее. В случае переноса атома, например, чем глубже «долина», в которой захвачен атом цезия, тем больше разброс энергий квантовых состояний в долине и, в конечном итоге, тем быстрее он может переноситься. Нечто подобное можно увидеть на примере официанта: если он наполняет стаканы только наполовину, он меньше рискует пролить шампанское при ускорении и замедлении. Однако энергетическая свобода частицы не может быть увеличена произвольно. «Мы не можем сделать нашу «долину» бесконечно глубокой — на это ушло бы слишком много энергии», — подчеркивает Альберти.
Ограничение скорости Мандельштама и Тамма — принципиальное ограничение. Однако достичь этого можно только при определенных обстоятельствах, а именно в системах только с двумя квантовыми состояниями. «В нашем случае, например, это происходит, когда пункт отправления и пункт назначения очень близки друг к другу, — объясняет женщина-физик. — Тогда материальные волны атома в обоих местах перекрываются, и атом может быть доставлен прямо к месту назначения за один раз, то есть без каких-либо промежуточных остановок».
Однако ситуация меняется, когда расстояние увеличивается до нескольких десятков значений ширины волны материи, как в Боннском эксперименте. На эти расстояния прямая телепортация невозможна. Вместо этого частица должна пройти несколько промежуточных состояний, чтобы достичь конечного пункта назначения: двухуровневая система становится многоуровневой. Исследование показывает, что к таким процессам применяется более низкий предел скорости, чем предсказывали два советских физика. Дело в том, что он определяется не только неопределенностью энергии, но и числом промежуточных состояний. Таким образом, новая работа улучшает теоретическое понимание сложных квантовых процессов и их ограничений.
Выводы физиков важны не в последнюю очередь для квантовых вычислений. Вычисления, которые возможны с помощью квантовых компьютеров, в основном основаны на манипулировании многоуровневыми системами. Однако квантовые состояния очень хрупкие. Они длятся лишь короткий промежуток времени — временем когерентности. Новое исследование показывает максимальное количество операций, которые ученые могут выполнить за время согласованности. Это позволяет оптимально использовать его.