Quantensprünge, von denen lange angenommen wurde, dass sie augenblicklich sind, brauchen Zeit

Devoret und Kollegen wollten beobachten, wie ein einzelnes künstliches Atom zwischen seinem energieärmsten (Grund-) Zustand und einem energetisch angeregten Zustand springt. Aber sie konnten diesen Übergang nicht direkt überwachen, weil eine Messung an einem Quantensystem die Kohärenz der Wellenfunktion — ihr glattes wellenartiges Verhalten — zerstört, von dem das Quantenverhalten abhängt. Um den Quantensprung zu beobachten, mussten die Forscher diese Kohärenz beibehalten. Andernfalls würden sie die Wellenfunktion „kollabieren“, was das künstliche Atom in den einen oder anderen Zustand versetzen würde. Dies ist das Problem, das durch Schrödingers Katze veranschaulicht wird, die angeblich in eine kohärente Quanten- „Überlagerung“ von lebenden und toten Zuständen gebracht wird, aber bei Beobachtung nur zu dem einen oder anderen wird.

Um dieses Problem zu umgehen, wenden Devoret und Kollegen einen cleveren Trick an, der einen zweiten angeregten Zustand beinhaltet. Das System kann diesen zweiten Zustand vom Grundzustand aus erreichen, indem es ein Photon einer anderen Energie absorbiert. Die Forscher untersuchen das System auf eine Weise, die ihnen immer nur sagt, ob sich das System in diesem zweiten „hellen“ Zustand befindet, der so genannt wird, weil er gesehen werden kann. Der Zustand, in den und aus dem die Forscher tatsächlich nach Quantensprüngen suchen, ist inzwischen der „dunkle“ Zustand — weil er der direkten Sicht verborgen bleibt.

Die Forscher platzierten die supraleitende Schaltung in einem optischen Hohlraum (einer Kammer, in der Photonen der richtigen Wellenlänge herumspringen können), so dass sich im hellen Zustand des Systems die Art und Weise ändert, wie Licht in dem Hohlraum gestreut wird. Jedes Mal, wenn der helle Zustand durch Emission eines Photons abklingt, gibt der Detektor ein Signal ab, das dem „Klicken“ eines Geigerzählers ähnelt.“

Der Schlüssel hier, sagte Oliver, ist, dass die Messung Informationen über den Zustand des Systems liefert, ohne diesen Zustand direkt abzufragen. In der Tat fragt es, ob sich das System gemeinsam im Boden- und Dunkelzustand befindet oder nicht. Diese Mehrdeutigkeit ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Quantenkohärenz während eines Sprungs zwischen diesen beiden Zuständen. In dieser Hinsicht, sagte Oliver, ist das Schema, das das Yale-Team verwendet hat, eng mit denen verwandt, die zur Fehlerkorrektur in Quantencomputern eingesetzt werden. Auch dort ist es notwendig, Informationen über Quantenbits zu erhalten, ohne die Kohärenz zu zerstören, auf der die Quantenberechnung beruht. Dies geschieht wiederum, indem nicht direkt auf das betreffende Quantenbit geschaut wird, sondern ein daran gekoppelter Hilfszustand untersucht wird.

Die Strategie zeigt, dass es bei der Quantenmessung nicht um die von der Sonde induzierte physikalische Störung geht, sondern darum, was Sie als Ergebnis wissen (und was Sie unbekannt lassen). „Das Fehlen eines Ereignisses kann so viele Informationen bringen wie seine Anwesenheit“, sagte Devoret. Er vergleicht es mit der Sherlock Holmes-Geschichte, in der der Detektiv einen wichtigen Hinweis aus dem „merkwürdigen Vorfall“ ableitet, bei dem ein Hund in der Nacht nichts getan hat. In Anlehnung an eine andere (aber oft verwirrte) hundebezogene Holmes-Geschichte nennt Devoret sie „Baskervilles Hund trifft Schrödingers Katze.“

Um einen Sprung zu fangen

Das Yale-Team sah eine Reihe von Klicks vom Detektor, die jeweils einen Zerfall des hellen Zustands anzeigen und typischerweise alle paar Mikrosekunden eintreffen. Dieser Klickstrom wurde ungefähr alle paar hundert Mikrosekunden scheinbar zufällig durch eine Pause unterbrochen, in der es keine Klicks gab. Nach einem Zeitraum von typischerweise etwa 100 Mikrosekunden wurden die Klicks wieder aufgenommen. Während dieser stillen Zeit hatte das System vermutlich einen Übergang in den dunklen Zustand durchlaufen, da dies das einzige ist, was ein Hin- und Herschalten zwischen dem Boden- und dem hellen Zustand verhindern kann.

Also hier in diesen Schaltern von „Klick“ zu „No-Click“ —Zuständen sind die einzelnen Quantensprünge – genau wie die, die in den früheren Experimenten an gefangenen Atomen und dergleichen gesehen wurden. In diesem Fall konnten Devoret und Kollegen jedoch etwas Neues sehen.

Vor jedem Sprung in den dunklen Zustand gab es normalerweise einen kurzen Zauber, in dem die Klicks ausgesetzt zu sein schienen: eine Pause, die als Vorbote des bevorstehenden Sprungs fungierte. „Sobald die Länge einer No-Click-Periode die typische Zeit zwischen zwei Klicks deutlich überschreitet, haben Sie eine ziemlich gute Warnung, dass der Sprung bevorsteht“, sagte Devoret.

Diese Warnung ermöglichte es den Forschern, den Sprung genauer zu untersuchen. Als sie diese kurze Pause sahen, schalteten sie den Eingang von Photonen aus, die die Übergänge antreiben. Überraschenderweise fand der Übergang in den dunklen Zustand auch ohne Photonen statt — es ist, als ob das Schicksal bereits feststeht, wenn die kurze Pause einsetzt. Obwohl der Sprung selbst zu einem zufälligen Zeitpunkt erfolgt, hat sein Ansatz auch etwas Deterministisches.

Bei ausgeschalteten Photonen zoomten die Forscher mit feinkörniger Zeitauflösung auf den Sprung, um zu sehen, wie er sich entfaltet. Geschieht es augenblicklich – der plötzliche Quantensprung von Bohr und Heisenberg? Oder passiert es reibungslos, wie Schrödinger darauf bestand? Und wenn ja, wie?

Das Team stellte fest, dass Sprünge tatsächlich allmählich sind. Das liegt daran, dass sich das System während eines Quantensprungs in einer Überlagerung oder Mischung dieser beiden Endzustände befindet, obwohl eine direkte Beobachtung das System nur als in dem einen oder anderen Zustand offenbaren könnte. Mit fortschreitendem Sprung würde eine direkte Messung immer wahrscheinlicher den endgültigen und nicht den Anfangszustand ergeben. Es ist ein bisschen so, wie sich unsere Entscheidungen im Laufe der Zeit entwickeln können. Sie können nur entweder auf einer Party bleiben oder sie verlassen — es ist eine binäre Wahl — aber wenn der Abend andauert und Sie müde werden, stellt sich die Frage „Bleiben oder gehen?“ wird immer wahrscheinlicher, die Antwort zu bekommen „Ich gehe.“

Die vom Yale-Team entwickelten Techniken zeigen die sich verändernde Denkweise eines Systems während eines Quantensprungs. Mit einer Methode namens tomographische Rekonstruktion konnten die Forscher die relativen Gewichtungen der Dunkel- und Grundzustände in der Überlagerung herausfinden. Sie sahen, wie sich diese Gewichte über einen Zeitraum von wenigen Mikrosekunden allmählich änderten. Das ist ziemlich schnell, aber es ist sicherlich nicht augenblicklich.

Darüber hinaus ist dieses elektronische System so schnell, dass die Forscher den Wechsel zwischen den beiden Zuständen „fangen“ und dann umkehren können, indem sie einen Photonenpuls in den Hohlraum senden, um das System wieder in den dunklen Zustand zu versetzen. Sie können das System überzeugen, seine Meinung zu ändern und doch auf der Party zu bleiben.

Flash of Insight

Das Experiment zeigt, dass Quantensprünge „tatsächlich nicht augenblicklich sind, wenn wir genau genug hinschauen“, sagte Oliver, „sondern kohärente Prozesse sind“: reale physikalische Ereignisse, die sich im Laufe der Zeit entfalten.

Die Allmählichkeit des „Sprungs“ ist genau das, was von einer Form der Quantentheorie, der sogenannten Quantentrajektorientheorie, vorhergesagt wird, die einzelne Ereignisse wie diese beschreiben kann. „Es ist beruhigend, dass die Theorie perfekt mit dem übereinstimmt, was gesehen wird“, sagte David DiVincenzo, Experte für Quanteninformation an der Aachener Universität, „aber es ist eine subtile Theorie, und wir sind weit davon entfernt, uns vollständig darum gekümmert zu haben.“

Die Möglichkeit, Quantensprünge kurz vor ihrem Auftreten vorherzusagen, macht sie zu Vulkanausbrüchen. Jeder Ausbruch geschieht unvorhersehbar, aber einige große können erwartet werden, indem man auf die atypisch ruhige Zeit achtet, die ihnen vorausgeht. „Nach unserem besten Wissen wurde dieses Vorläufersignal bisher nicht vorgeschlagen oder gemessen“, sagte er.

Devoret sagte, dass eine Fähigkeit, Vorläufer von Quantensprüngen zu erkennen, Anwendungen in Quantensensortechnologien finden könnte. Zum Beispiel „Bei Atomuhrmessungen möchte man die Uhr auf die Übergangsfrequenz eines Atoms synchronisieren, die als Referenz dient“, sagte er. Wenn Sie jedoch gleich zu Beginn erkennen können, ob der Übergang bevorsteht, anstatt warten zu müssen, bis er abgeschlossen ist, kann die Synchronisation auf lange Sicht schneller und daher präziser sein.

DiVincenzo glaubt, dass die Arbeit auch Anwendungen in der Fehlerkorrektur für Quantencomputer finden könnte, obwohl er das als „ziemlich weit unten“ sieht.“ Um das Maß an Kontrolle zu erreichen, das für den Umgang mit solchen Fehlern erforderlich ist, ist jedoch eine solche umfassende Erfassung von Messdaten erforderlich — ähnlich wie in der datenintensiven Situation in der Teilchenphysik“, sagte DiVincenzo.

Der wirkliche Wert des Ergebnisses liegt jedoch nicht in irgendwelchen praktischen Vorteilen; Es ist eine Frage dessen, was wir über die Funktionsweise der Quantenwelt lernen. Ja, es wird mit Zufälligkeit durchgeschossen – aber nein, es wird nicht von augenblicklichen Idioten unterbrochen. Schrödinger, treffend genug, war sowohl richtig als auch falsch zugleich.

Dieser Artikel wurde am Wired.com und auf Spanisch bei Investigacionyciencia.es .

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