Группа американских ученых экспериментально показала, что с помощью квантового эффекта Зенона можно контролировать состояние трансмонных кубитов, медленно изменяя фазу оператора наблюдения. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Когда наблюдатель измеряет свойства квантовой системы, он неизбежно взаимодействует с ней, что приводит к разрушению ее квантового состояния. Вообще говоря, после измерения система вовсе не обязана находиться в том же состоянии, что и до него. Известным примером этого свойства квантовых систем является кот Шрёдингера, который после измерения (открытия коробки) переходит либо в состояние «жив», либо в состояние «мертв», хотя изначально он находился в суперпозиции обоих состояний. Конечно, иногда изменением системы можно пренебречь, но в целом этот факт всегда нужно держать в уме.

Интересным проявлением этого свойства квантового мира является квантовый эффект Зенона. Заключается эффект в том, что чем чаще мы измеряем состояние квантовой системы, тем дольше оказывается время ее жизни; в предельном случае непрерывных измерений система не распадется вовсе. Все это напоминает стрелу из известной апории Зенона, которая покоится в каждый момент времени и, следовательно, стоит на месте. Говоря более строго, наблюдения подавляют эволюцию системы, заставляя ее оставаться в том состоянии, в котором мы ее «поймали». Этот эффект хорошо изучен теоретически и экспериментально проверен для многих квантовых систем. Подробнее прочитать о квантовом эффекте Зенона можно, например, в этой статье Ростислава Ведринского.

В новой статье группа ученых под руководством Шея Хакоена-Гурги (Shay Hacohen-Gourgy) экспериментально показала, что квантовый эффект Зенона можно использовать не только для подавления эволюции системы, но и для управления ее состоянием. Для этого нужно немного изменять фазу оператора наблюдения в ходе эксперимента. В качестве исследуемой системы они взяли трансмонный кубит (один из типов сверхпроводящего кубита), помещенный в трехмерную сверхпроводящую полость. Эволюция подобной системы описывается контурной квантовой электродинамикой (circuit-QED), определить состояния кубита можно, измеряя частоту колебаний поля в полости. Кроме того, физики приложили к системе возмущение с частотой, совпадающей с собственной частотой колебаний кубита, и получили эффективный кубит с новыми собственными состояниями. Именно для этого эффективного кубита они показали возможность изменять состояние с помощью наблюдений.

Схема эксперимента. Справа показаны частоты возмущений, которые прикладывались к системе. S. Hacohen-Gourgy et al. / Phys. Rev. Lett.

Затем экспериментаторы провели серию опытов, в которых они с разной частотой измеряли состояния кубита, медленно изменяя фазу оператора наблюдения. Полученные данные они откладывали на сфере Блоха и сравнивали с теоретическими предсказаниями. Грубо говоря, сфера Блоха отражает, насколько состояние системы совпадает с одним из двух выбранных «чистых» состояний (например, состояния «спин вверх» и «спин вниз» для электрона). Оказалось, что в целом эксперимент хорошо совпадает с теорией, и состояние кубита медленно изменяется («перетаскивается») вместе с фазой оператора наблюдения, оставаясь при этом «чистым» состоянием (которому отвечает точка на поверхности сферы). Тем не менее, иногда система совершает скачок и переходит в диаметрально противоположную точку на сфере Блоха, то есть в ортогональное состояние. После «перескакивания» состояние продолжает поворачиваться, оставаясь чистым.

Слева — эволюция состояния со временем в зависимости от частоты измерений; точки отвечают экспериментальным данным, линии — теории. Справа — эволюция системы со временем для периода изменений около пяти микросекунд; можно увидеть, как система «перескакивает» между квантовыми состояниями. S. Hacohen-Gourgy et al. / Phys. Rev. Lett.

Чистота состояний в ходе «перетаскивания» с зависимости от величины порога отбора данных. S. Hacohen-Gourgy et al. / Phys. Rev. Lett.

Кроме того, ученые более подробно исследовали, как система «перескакивает» между ортогональными состояниями. Оказалось, что скачок происходит немного раньше, чем предсказывает теория. При этом траектория системы проходит не через центр сферы Блоха, а выгибается в сторону, противоположную направлению «перетаскивания».

Эволюция состояний кубита со временем для двух различных «частот перетаскивания». Белая линия — экспериментальное положение «оси перескока», красная — теоретическое. S. Hacohen-Gourgy et al. / Phys. Rev. Lett.

Авторы статьи считают, что изученный ими эффект поможет регистрировать ошибки, возникающие в кубитах квантовых компьютеров во время вычислений, поскольку он позволяет не только изменять, но и отслеживать состояния кубита.

Ранее мы писали, как две группы ученых экспериментально доказали, что квантовый эффект Зенона действительно проявляется при измерении состояний атомов сильно охлажденного газа рубидия-87. Кроме того, осенью этого года исследователи продемонстрировали эффект, напоминающий квантовый эффект Зенона: им удавалось контролировать поток тепла, изменяя частоту наблюдений за термоэлектронным наноразмерным прибором. В том числе — направлять его от холодного тела к горячему вопреки второму закону термодинамики.

Автор: Дмитрий Трунин