Experimentul arată când stările cuantice „de tip pisică” nu mai revin
Un experiment realizat de cercetători de la Universitatea Fuzhou din China a urmărit modul în care interferența cuantică dispare și dacă mai poate reveni atunci când mediul înconjurător crește. Rezultatele, publicate în Physical Review Letters, arată că extinderea unui mediu artificial de la un qubit la opt qubiți a suprimat progresiv revenirea interferenței.
Sistemele cuantice pot ocupa superpoziții, adică stări care combină mai multe posibilități în același timp. În experiment, un câmp de microunde a fost pregătit într-o astfel de superpoziție, între o stare goală și una care conține lumină de microunde. Cele două componente pot interfera, întărindu-și sau anulându-și reciproc contribuțiile la probabilitățile rezultatelor măsurătorilor, iar această interferență distinge superpoziția de situația în care câmpul este pur și simplu gol sau conține lumină.
Interacțiunile unui sistem cuantic cu mediul din jur pot face interferența să dispară, un proces cunoscut sub numele de decoerență. Cercetătorii au investigat dacă interferența poate reveni după ce dispare și dacă acest lucru depinde de dimensiunea mediului.
Urmărirea dispariției și a revenirii interferenței
Câmpul de microunde a fost pregătit într-o „stare pisică”, o superpoziție de stări distincte numită după celebrul experiment mental al lui Schrödinger, în care soarta unei pisici depinde de un eveniment cuantic. Câmpul a fost stocat într-un rezonator supraconductiv, o componentă de circuit capabilă să mențină un câmp electromagnetic oscilant. Informația despre stările sale s-a putut codifica în corelații între câmp și mediul său, prin intermediul încurcării cuantice. Important este că această informație nu trebuie citită de o persoană pentru a afecta interferența și a produce decoerență.
Cercetătorii au reconstruit hărți Wigner, reprezentări ale stării cuantice a câmpului, folosind un singur qubit drept mediu. Franjele alternante pozitive și negative din aceste hărți au dezvăluit interferența dintre starea goală și cea care conține lumină. Pe măsură ce informația distinctivă s-a codificat în qubit, franjele au dispărut. La aproximativ 38 de nanosecunde după începerea interacțiunii, qubitul aproape a finalizat o oscilație, iar interferența a revenit. În acest scenariu, interacțiunile continue puteau șterge înregistrarea distinctivă a mediului fără a fi nevoie de o operație separată de ștergere.
Cum reține informația un mediu mai mare
Cercetătorii au crescut treptat numărul de qubiți din mediu, de la unul la opt. Măsurând qubiții individuali, au putut estima cât de bine distinge mediul combinat cele două componente ale superpoziției câmpului de microunde. Măsura de distingibilitate utilizată a variat de la zero, care indică absența informației distinctive, la unu, care indică o distincție clară între cele două stări. Pe măsură ce au inclus mai mulți qubiți, oscilațiile acestei măsuri s-au atenuat.
Cu opt qubiți, măsura de distingibilitate s-a apropiat de unu după aproximativ 15 nanosecunde și a rămas aproape de această valoare pe parcursul măsurătorilor care s-au extins până la 80 de nanosecunde. Hărți Wigner separate au arătat că interferența a dispărut fără să revină între 0 și 30 de nanosecunde.
Rezultatele arată suprimarea revenirii interferenței în perioada de observație a experimentului, nu faptul că aceasta nu ar putea reveni niciodată. Echipa a constatat că diferiți qubiți din mediu au schimbat energie cu câmpul de microunde în ritmuri diferite. Pentru a elimina înregistrarea lor combinată de informații, qubiții trebuiau să revină colectiv la stări care nu mai puteau distinge între cele două componente ale superpoziției. Adăugarea mai multor qubiți a făcut această revenire coordonată mai puțin probabilă.
Experimentul oferă un cadru controlat pentru studierea decoerenței aparent ireversibile, care ar putea contribui la viitoarele eforturi de dezvoltare a calculatoarelor cuantice și a instrumentelor de măsurare de precizie. Stările pisică sunt utile în ambele domenii, însă vulnerabilitatea lor la decoerență este o provocare cunoscută. Deși cercetătorii nu au demonstrat o metodă de depășire a acestei provocări, platforma lor experimentală ar putea ajuta la investigarea ei în continuare.
