Kvantový stroj

Kvantový  stroj je technické zařízení, které pracuje v souladu se zákony kvantové mechaniky . Myšlenka, že makroskopické objekty mohou dodržovat zákony kvantové mechaniky, se objevila během vývoje základů kvantové mechaniky na počátku 20. století [1] [2] . Současně, jak ukázal myšlenkový experiment se Schrödingerovou kočkou , při přechodu od subatomárních k makroskopickým systémům se kvantová mechanika vyznačuje neúplností. Následné experimenty ukázaly, že kvantové stavy pohybu byly pozorovány pouze za speciálních podmínek při ultranízkých teplotách. Kvantové efekty v makroskopických objektech mohou také vznikat v důsledku rychlé kvantové dekoherence [3] .

První kvantový stroj v reálném životě vytvořil O'Connell v roce 2009 a časopis Science ho v roce 2010 označil za „ Průlom roku “ .

První kvantový stroj

První kvantový stroj vytvořil 4. srpna 2009 Aaron O'Connell z University of California, Santa Barbara , jako součást jeho Ph.D. O'Connell a jeho kolegové připojili mechanický rezonátor ke qubitu  , zařízení, které může být v superpozici dvou kvantových stavů. Dokázali přimět rezonátor, aby vibroval na nízké a vysoké frekvenci současně, což je efekt, který je v klasické fyzice nemožný . Mechanický rezonátor byl dostatečně velký, aby jej bylo možné vidět pouhým okem, o tloušťce lidského vlasu [4] . Práce popisující získané výsledky byla publikována v časopise Nature v březnu 2010 [5] . Časopis Science oznámil vytvoření prvního kvantového stroje jako „ průlom roku “ v roce 2010 [6] .

Chlazení na nulovou energii

Aby bylo možné demonstrovat kvantové efekty při provozu zařízení, bylo nejprve nutné ochladit mechanický rezonátor, dokud nedosáhne svého základního kvantového stavu ( stav nulové energie ). Konkrétně to vyžadovalo teplotu , kde h je Planckova konstanta , f je frekvence rezonátoru , k je Boltzmannova konstanta . Předchozí týmy výzkumníků se pokoušely tohoto stavu dosáhnout například ochlazením 1 MHz rezonátoru na extrémně nízkou teplotu 50 milikelvinů [7] . O'Connellův tým postavil další typ rezonátoru, Film Volume Acoustic Resonator (TFBAR) [5] s mnohem vyšší rezonanční frekvencí (6 GHz), který dosáhl stavu nulové energie při relativně vysoké teplotě (~0,1 K); Této teploty lze snadno dosáhnout pomocí zřeďovací chladničky [5] . Během experimentu byl rezonátor ochlazen na 25 milikelvinů [5] .

Řízení kvantového stavu

TFBAR používaný O'Connellovým týmem byl vyroben z piezoelektrického materiálu , takže při vibraci vysílal střídavý elektrický signál a naopak elektrický signál mohl jeho vibraci ovlivnit. To umožnilo, aby byl rezonátor připojen k supravodivé fázi qubit  zařízení používanému v kvantových počítačích , jehož kvantový stav lze přesně ovládat.

Oscilace kvantově mechanických systémů jsou popsány pomocí elementárních kvazičástic- fononů . Chlazení rezonátoru do stavu s nulovou energií lze považovat za ekvivalent odstranění všech fononů. Po dosažení tohoto stavu začal O'Connellův tým přesouvat jednotlivé fonony z qubitu do mechanického rezonátoru a tím se mu také podařilo přenést qubit, který byl v superpozici dvou stavů, do rezonátoru [8] . Podle American Association for the Advancement of Science to umožnilo dosáhnout stavu, kdy rezonátor „trochu a zároveň hodně vibroval“ [9] . Vibrace trvaly jen pár nanosekund, poté byly zničeny vnějšími vlivy [10] . Článek O'Connell's Nature o experimentu poznamenal: „Tato demonstrace poskytuje silný důkaz, že kvantová mechanika platí pro mechanický objekt dostatečně velký, aby byl viděn pouhým okem“ [5] .

Poznámky

  1. ↑ Schrödinger, E.  Současná situace v kvantové mechanice  // Naturwissenschaften : deník. - 1935. - Sv. 23 , č. 48 . - S. 807-812; 823-828; 844-849 . - doi : 10.1007/BF01491891 . - .
  2. ↑ Leggett, AJ Testování limitů kvantové mechaniky: motivace, současný stav, vyhlídky  // J.  Phys .: Condens. Hmota : deník. - 2002. - Sv. 14 , č. 15 . - P.R415-R451 . - doi : 10.1088/0953-8984/14/15/201 . - . .
  3. ↑ Zurek, W. H. Decoherence, einselection, a kvantový původ klasického  (anglického)  // Reviews of Modern Physics  : journal. - 2003. - Sv. 75 , č. 3 . - str. 715-765 . - doi : 10.1103/RevModPhys.75.715 . - . — arXiv : quant-ph/0105127 .
  4. ↑ Boyle, Alan . Rok ve vědě: kvantový skok , MSNBC. Archivováno z originálu 19. prosince 2010. Staženo 23. prosince 2010.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 O'Connell, AD; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, R. C.; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D.; Wang, H. Kvantový základní stav a jednofononové řízení mechanického rezonátoru  //  Nature : journal. - 2010. - Sv. 464 , č.p. 7289 . - str. 697-703 . - doi : 10.1038/nature08967 . - . — PMID 20237473 .
  6. ↑ Cho, Adriane. Průlom roku: První kvantový stroj  (anglicky)  // Science  : journal. - 2010. - Sv. 330 , č.p. 6011 . — S. 1604 . - doi : 10.1126/science.330.6011.1604 . - . — PMID 21163978 .
  7. ↑ Steven Girvin, http://www.condmatjournalclub.org/wp-content/uploads/2010/04/jccm_april2010_013.pdf Archivováno 12. května 2016 na Wayback Machine
  8. ↑ Markus Aspelmeyer, „Kvantová mechanika: surfování běží“, Nature 464, 685-686 (1. dubna 2010)
  9. ↑ Brandon Bryn, „Věda: Průlomy roku 2010 a postřehy desetiletí“ Archivováno 5. června 2013 na Wayback Machine , Americká asociace pro pokrok vědy, 16. prosince 2010
  10. ↑ Richard Webb, „První kvantové efekty viděné ve viditelném objektu“ Archivováno 29. dubna 2015 na Wayback Machine , New Scientist, 17. března 2010

Literatura