우리의 모든 과학 이론과 모델이 평균에 대해서만 우리에게 말했다고 상상해보십시오. 최고의 일기 예보가 다음 달에 예상되는 평균 비가 올 수 있거나 천문학자가 일일 일식 사이의 평균 시간 만 예측할 수 있다면
.양자 역학의 초기에는 불가피한 한계가있는 것처럼 보였습니다. 그것은 확률 론적 이론이었습니다. 많은 사건이나 입자에 대한 기록을 수집하면 평균적으로 관찰 할 것만으로 만 알려줍니다. Quantum Object가 어떻게 행동하는지에 대한 시조 방정식을 규정하는 Erwin Schrödinger에게는 실시간으로 일을하는 특정 원자 나 전자에 대해 생각하는 것은 완전히 무의미했습니다. 그는 1952 년에“우리는 실험을하지 않는다는 것이 입니다. 단일 입자로. … 우리는 사건이 발생한 지 오래 된 사건의 기록을 면밀히 조사하고 있습니다.” 다시 말해, 양자 역학은 많은 입자의“앙상블”에만 작용하는 것처럼 보였다. Yale University의 물리학 자 Michel Devoret은“앙상블이 충분히 커지면 예측이 정확한지 여부를 확인하기에 충분한 통계를 획득 할 수 있습니다.
그러나 양자 역학을 공식화하여 개별 양자 시스템에서 발생하는 단일 이벤트에 대해 말할 수있는 또 다른 방법이 있습니다. 이를 양자 궤적 이론 (QTT)이라고하며 양자 역학의 표준 형식과 완벽하게 호환됩니다. 실제로 양자 행동에 대한 더 자세한 견해 일뿐입니다. 표준 설명은 많은 이벤트의 평균이 계산 된 후 긴 타임 스케일에 걸쳐 복구됩니다.
Schrödinger의 비관적 견해에 직접적인 도전으로, QTT는 Yale의 Devoret의 실험실에서 박사 학위를 수료 한 Zlatko Minev는“QTT는 단일 입자와 사건이 일어나고있는 사건을 정확하게 다루고 있습니다. 양자 회로에 대한 실험에 QTT를 적용함으로써 Minev와 그의 동료들은 최근 시간이 지남에 따라 전개되는 두 양자 에너지 상태 사이의 스위치 인“양자 도약”을 포착 할 수있었습니다. 그들은 또한 미드 플라이트에서 그러한 점프를 잡고 그것을 뒤집는 놀라운 위업을 달성해야했습니다.
Devoret은“양자 궤적 이론은 표준 공식으로 만들 수없는 예측을 할 수 있습니다. 특히, 입자와 같은 개별 양자 물체가 관찰 될 때 어떻게 행동 할 것인지 예측할 수 있습니다. 즉, 측정이 이루어질 때.
.Schrödinger의 방정식은 그렇게 할 수 없습니다. 우리가 측정하지 않으면 객체가 시간이 지남에 따라 어떻게 진화 할 것인지 완벽하게 예측합니다. 그러나 측정을 추가하면 Schrödinger 방정식에서 얻을 수있는 모든 것은 개별 시스템이하는 일이 아니라 많은 측정에서 평균적으로 볼 수있는 것을 예측하는 것입니다. 예를 들어 고독한 양자 점프에서 무엇을 기대 해야하는지 알려주지 않습니다.
측정은 Quantum Back-Action이라는 독특한 현상으로 인해 Schrödinger 방정식을 탈선시킵니다. 양자 측정은 관찰되는 시스템에 영향을 미칩니다. 관찰 행위는 일종의 임의의 노이즈를 시스템에 주입합니다. 이것은 궁극적으로 Heisenberg의 유명한 불확실성 원리의 원천입니다. Heisenberg가 처음에 생각했듯이 측정의 불확실성은 미묘한 양자 시스템에서 서투른 개입의 영향을 미치지 않습니다. 오히려, 그것은 관찰 자체의 본질적으로 무작위 화 효과의 피할 수없는 결과입니다. Schrödinger 방정식은 양자 시스템이 어떻게 진화하는지 예측하는 데 적합합니다. 측정하지 않는 한 결과는 예측할 수 없습니다.
.Devoret은 Quantum Back-Action은 시스템과 측정 장치 간의 불완전한 정렬로 생각할 수 있다고 Devoret은 말했다. 그는 망원경을 사용하여 행성의 관찰과 비교합니다. 행성이 망원경 프레임의 중앙에 있지 않으면 이미지가 퍼지됩니다.
그러나 QTT는 후면 액션을 고려할 수 있습니다. 캐치는 QTT를 적용하려면 관찰하는 시스템의 동작에 대한 거의 완전한 지식이 있어야한다는 것입니다. 일반적으로 양자 시스템의 관찰은 잠재적으로 이용 가능한 많은 정보를 간과합니다. 일부 방출 된 광자는 환경에서 손실됩니다. 그러나 백-액션의 무작위 결과를 포함하여 시스템에 대해 거의 모든 것이 측정되고 알려진 경우 측정 장치에 피드백을 구축하여 역 동작을 보상하기 위해 지속적인 조정을 할 수 있습니다. 행성을 중심에 유지하기 위해 망원경의 방향을 조정하는 것과 같습니다.
이를 위해서는 측정 장치가 시스템이 상당한 변화를 겪는 속도보다 데이터를 더 빨리 수집해야하며 거의 완벽한 효율성으로 그렇게해야합니다. Devoret은“기본적으로 시스템을 떠나 환경에 흡수되는 모든 정보는 측정 장치를 통과하고 기록되어야합니다. 천문학적 비유에서, 지구는 천문대에서 나오는 빛에 의해서만 조명되어야 할 것이며, 어떻게 든 재현 된 모든 빛을 수집 할 것입니다.
.이러한 수준의 제어 및 정보 캡처를 달성하는 것은 매우 어려운 일입니다. 그렇기 때문에 QTT는 수십 년 동안 주변에 있었지만 지난 5 년 동안 실험적으로 테스트 할 수있는 것은 실험적으로 테스트 할 수 있습니다. Minev는 양자 측정 효율성을 최대 91%까지 보장하기 위해 혁신을 개발했으며,“이 주요 기술 개발은 예측을 검증 가능한 구현 가능한 실험으로 바꿀 수있었습니다.
Devoret은 이러한 혁신을 통해 "최근의 역사를 고려할 때 시스템이 어디에 있는지 항상 알 수있다"고 말했다. 또한, 시간이 지남에 따라 시스템이 매끄럽게 변하는 방법에 대한 이러한 거의 완료 된 지식을 통해 연구자들은“테이프를 되감기”하고 표준 양자 형식의 명백히 돌이킬 수없는“파동 함수 붕괴”를 피할 수 있습니다. 그것이 연구원들이 미드 플라이트에서 양자 점프를 되돌릴 수있는 방법입니다.
QTT의 예측과 실험 결과 사이의 탁월한 일치는 이론이 단일 양자 시스템에 작용한다는 단순한 사실보다 더 깊은 것을 시사합니다. 그것은 이론이 이론을 지칭하는 매우 추상적 인“양자 궤적”(1990 년대에 예일 논문의 공동 저자 인 Howard Carmichael이 1990 년대에 만들어진 용어)은 의미있는 실체라는 것을 의미한다. 이것은 QTT가 처음 소개되었을 때의 일반적인 견해와 대조되는데, 그것은 명확한 신체적 중요성이없는 수학적 도구 일 뿐이라고 말했습니다.
.그러나이 궤적은 정확히 무엇입니까? 한 가지는 분명하다. 그것은 고전적인 궤적과 같지 않다. 그것은 시스템이 가질 수있는 가능한 상태의 추상 공간을 통과하는 경로와 비슷하며, 이는 힐버트 공간이라고합니다. 전통적인 양자 이론에서, 그 경로는 Schrödinger 방정식의 파동 함수에 의해 설명된다. 그러나 결정적으로 QTT는 측정이 그 경로에 어떤 영향을 미치는지 해결할 수 있으며, Schrödinger 방정식은 할 수 없습니다. 사실상, 이론은 시스템이 지금까지 행동 한 방식에 대한 신중하고 완전한 관찰을 사용하여 미래에 무엇을 할 것인지 예측합니다.
이것을 단일 공기 분자의 궤적을 예측하는 것과 느슨하게 비교할 수 있습니다. Schrödinger 방정식은 고전적인 확산 방정식과 비슷한 역할을하며, 이는 충돌을 겪을 때 평균적으로 그러한 입자가 시간이 지남에 따라 얼마나 멀리 이동하는지 예측합니다. 그러나 QTT는 특정 입자가 어디로 갈지 예측하여 입자가 이미 경험 한 충돌에 대한 자세한 정보를 기반으로합니다. 임의성은 여전히 진행 중입니다. 두 경우 모두 궤적을 완벽하게 예측할 수는 없습니다. 그러나 QTT는 당신에게 개별 입자에 대한 이야기와 다음에 어디로 향할 수 있는지 볼 수있는 능력을 줄 것입니다.
