양자 역학이 1 세기 전에 원자 규모의 세계를 이해하기위한 이론으로 처음 개발되었을 때, 주요 개념 중 하나는 매우 급진적이고 대담하며 반 직관적이어서 대중적인 언어 인“Quantum Leap”으로 전달되었습니다. 순수 주의자들은이 용어를 큰 변화에 적용하는 일반적인 습관이 두 양자 상태 사이의 점프가 일반적으로 작다는 점을 그리워한다고 반대 할 수 있습니다. 이것이 바로 그들이 더 빨리 눈치 채지 못한 이유입니다. 그러나 진짜 요점은 갑자기 있다는 것입니다. 사실, 양자 역학의 많은 개척자들이 그들이 순간적이라고 가정했습니다.
새로운 실험은 그들이 그렇지 않다는 것을 보여줍니다. 양자 도약의 일종의 고속 영화를 만들어서,이 작품은 그 과정이 태양의 눈사람의 녹는 것만 큼 점진적임을 보여줍니다. Yale University의 Michel Devoret은“우리가 양자 점프를 빠르고 효율적으로 충분히 측정 할 수 있다면 실제로 지속적인 과정입니다.”라고 말했습니다. Devoret의 실험실의 대학원생 인 Zlatko Minev가 이끄는이 연구는 월요일에 Nature 에 출판되었습니다. . 이미 동료들은 흥분합니다. 이 작업에 관여하지 않은 매사추세츠 기술 연구소의 물리학 자 윌리엄 올리버 (William Oliver)는“이것은 정말 환상적인 실험입니다. “정말 놀랍습니다.”
그러나 더 많은 것이 있습니다. 고속 모니터링 시스템을 통해 연구원들은 양자 점프가 나타나려고 할 때, 반쯤 "잡아서 반전시켜 시스템을 시작한 상태로 다시 보냅니다. 이런 식으로, 물리적 세계에서 Quantum Pioneers가 피할 수없는 무작위성으로 보이는 것은 이제 통제 할 수있는 것으로 보입니다. 우리는 양자를 담당 할 수 있습니다.
모두 너무 무작위
양자 점프의 갑작스런 기둥은 1920 년대 중반 Niels Bohr, Werner Heisenberg 및 그들의 동료들에 의해 양자 이론이 공식화되는 방식의 중심 기둥이었습니다. Bohr는 이전에 원자에있는 전자의 에너지 상태가 "양자화"되었다고 주장했다. 그는 전자가 허용 된 전자 상태 사이의 간격과 일치하는 에너지를 가진 광자 (광자)를 흡수하거나 방출함으로써 전자가 에너지를 변화시킬 것을 제안했다. 이것은 왜 원자와 분자가 빛의 매우 특징적인 파장을 흡수하고 방출하는 이유를 설명했습니다.
Bohr과 Heisenberg는 1920 년대에 이러한 양자 현상의 수학적 이론을 개발하기 시작했습니다. Heisenberg의 양자 역학은 허용 된 모든 양자 상태를 열거했으며, 그들 사이의 점프가 즉각적이라고 가정했다. 과학의 역사가 마라 벨러 (Mara Beller)는“즉각적인 양자 점프의 개념… 코펜하겐 해석의 기본 개념이되었습니다.
양자 역학의 또 다른 건축가 인 오스트리아 물리학 자 Erwin Schrödinger는 그 아이디어를 미워했습니다. 그는 처음에 Heisenberg의 개별 양자 상태 수학과 그들 사이의 즉각적인 점프에 대한 대안이 된 것을 고안했다. Schrödinger의 이론은 파도 함수라고 불리는 파괴적인 실체의 관점에서 양자 입자를 나타 냈으며, 이는 넓은 바다의 부드러운 기복처럼 시간이 지남에 따라 매끄럽고 지속적으로 변했습니다. Schrödinger는 현실 세계의 사물이 갑자기 갑자기 전환되지 않는다고 생각했습니다. 1952 년“Quantum Jumps?”라는 논문에서 Schrödinger는“아니오”라고 대답했습니다.
이 논쟁은 Schrödinger의 갑작스런 변화에 대한 불편에 관한 것이 아닙니다. 양자 점프의 문제는 또한 임의의 순간에 일어난다는 것이 었습니다. 왜 That 특별한 순간. 따라서 그것은 원인이없는 효과였으며, 자연의 핵심에 삽입 된 명백한 무작위성의 예입니다. Schrödinger와 그의 친한 친구 인 Albert Einstein은 그 기회와 예측 불가능 성이 가장 근본적인 수준에서 지배 할 수 없었습니다. 독일의 물리학 자 맥스 태어에 따르면, 전체 논쟁은“철학과 인간 지식과 일반적으로 인간 지식과의 관계 중 하나로 물리학의 내부 문제는 아니었다”고한다. 다시 말해, 양자 점프의 현실 (또는 그렇지 않은)에 많은 라이딩이 있습니다.
보지 않고보기
더 조사하려면 양자가 한 번에 하나씩 점프해야합니다. 1986 년, 3 명의 연구원 팀이 전자기장에 의해 우주에 매달린 개별 원자에서 발생한다고보고했습니다. 원자는 "밝은"상태 사이를 뒤집어 빛의 광자를 방출 할 수 있으며, 임의의 순간에 방출되지 않은 "어두운"상태는 한 상태에서 또는 다른 1 초에서 몇 초에서 몇 초 사이에 남아 있지 않은 "어두운"상태를 다시 점프하기 전에. 그 이후로, 이러한 점프는 양자 상태 사이의 광자 전환에서 양자화 된 자기 상태 사이의 고체 물질에서 원자에 이르기까지 다양한 시스템에서 관찰되었다. 2007 년 프랑스의 한 팀은“개별 광자의 출생, 생명 및 죽음”에 해당하는 점프를보고했습니다.
이 실험에서 점프는 실제로 갑작스럽고 무작위로 보였습니다. 양자 시스템이 모니터링 될 때, 언제 일어날 지, 점프가 어떻게 생겼는지에 대한 자세한 그림은 알 수 없었습니다. 대조적으로 Yale 팀의 설정은 점프가 언제 올 때를 예상 할 수있게 한 다음, 가깝게 확대하기 위해 확대 할 수있었습니다. 실험의 핵심은 이용 가능한 모든 정보를 수집하는 능력이므로 측정하기 전에 환경으로 누출되지 않도록하십시오. 그래야만 그들은 한 번의 점프를 자세히 따를 수 있습니다.
연구자들이 사용한 양자 시스템은 원자보다 훨씬 크며, 초전도 물질로 만들어진 와이어로 구성되어 있는데, 때로는 "인공 원자"라고 불리는 실제 원자의 전자 상태와 유사하기 때문에 "인공 원자"라고 불립니다. 에너지 상태의 점프는 원자의 전자와 마찬가지로 광자를 흡수하거나 방출하여 유도 될 수 있습니다.
Devoret과 동료들은 가장 낮은 에너지 (지상) 상태와 에너지 적으로 흥분된 상태 사이의 단일 인공 원자 점프를보고 싶어했습니다. 그러나 양자 시스템을 측정하면 양자 거동에 의존하는 파동 함수의 일관성 (부드러운 파형 동작)이 파괴되기 때문에 그 전이를 직접 모니터링 할 수 없었습니다. 양자 점프를보기 위해 연구원들은이 일관성을 유지해야했습니다. 그렇지 않으면 그들은 파동 함수를 "붕괴"하여 인공 원자를 한 상태 또는 다른 상태로 배치합니다. 이것은 Schrödinger의 고양이가 유명하게 예시 된 문제이며, 이는 살아있는 상태와 죽은 상태의 일관된 양자 "중첩"에 배치되었지만 관찰하면 하나 또는 다른 국가가됩니다.
.이 문제를 해결하기 위해 Devoret과 동료들은 두 번째 흥분 상태와 관련된 영리한 트릭을 사용합니다. 시스템은 다른 에너지의 광자를 흡수함으로써지면 상태 에서이 두 번째 상태에 도달 할 수 있습니다. 연구원들은 시스템 이이 두 번째 "밝은"상태에 있는지 여부를 알려주는 방식으로 시스템을 조사하여 볼 수있는 사람이기 때문에 이름을 지정합니다. 연구원들이 실제로 양자 점프를 찾고있는 상태는“어두운”상태입니다. 직접 관점에서 숨겨져 있기 때문입니다.
연구원들은 초전도 회로를 광장 (우측 파장의 광자가 튀어 나올 수있는 챔버)에 배치하여 시스템이 밝은 상태에 있으면 공동의 빛이 바뀌는 방식이 바뀌는 방식을 배치했습니다. 검출기는 광자 방출로 밝은 상태가 붕괴 될 때마다 Geiger 카운터의 "클릭"과 비슷한 신호를 제공합니다.
.올리버는 여기서 핵심은 측정 값이 해당 상태를 직접 심문하지 않고 시스템 상태에 대한 정보를 제공한다는 것입니다. 사실상, 시스템이 접지 및 어두운 상태에 있는지 또는 어두운 상태에 있는지 묻습니다. 그 모호성은이 두 상태 사이의 점프 동안 양자 일관성을 유지하는 데 중요합니다. 이와 관련하여 Yale 팀이 사용한 제도 인 Oliver는 양자 컴퓨터에서 오류 보정을 위해 사용 된 것과 밀접한 관련이 있다고 말했다. 또한 양자 계산이 의존하는 일관성을 파괴하지 않고 양자 비트에 대한 정보를 얻을 필요가 있습니다. 다시 말하지만, 이것은 문제의 양자 비트를 직접 보지 않고 그것에 연결된 보조 상태를 조사함으로써 수행됩니다.
이 전략은 양자 측정이 프로브에 의해 유도 된 물리적 섭동에 관한 것이 아니라 당신이 알고있는 에 관한 것임을 보여줍니다. 결과적으로 (그리고 당신이 알 수없는 것). Devoret은“이벤트가 없으면 많은 정보가 그 존재만큼이나 많은 정보를 가져올 수 있습니다. 그는 그것을 셜록 홈즈 이야기와 비교하여 형사가 개가 을하지 않은“호기심 사건”에서 중요한 단서를 유도합니다. 밤에 무엇이든하십시오. Devoret은 다른 (그러나 종종 혼란스러운) 개 관련 Holmes 이야기에서 빌려서“Baskerville의 사냥개는 Schrödinger의 고양이를 만난다”고 부릅니다.
점프를 잡으려면
Yale 팀은 검출기에서 일련의 클릭을 보았는데, 각각은 밝은 상태의 부패를 나타내며, 일반적으로 몇 마이크로 초마다 도착했습니다. 이 클릭 스트림은 클릭이 없었던 hiatus에 의해 무작위로 수백 마이크로 초마다 중단되었습니다. 그런 다음 일반적으로 100 마이크로 초 정도의 기간 후 클릭이 재개되었습니다. 그 조용한 시간 동안, 시스템은 아마도 어두운 상태로의 전환을 겪었을 것입니다. 왜냐하면 그것이 지상과 밝은 상태 사이에서 앞뒤로 뒤집는 것을 막을 수있는 유일한 것입니다.
.따라서 "클릭"에서 "클릭하지 않음"상태로의 이러한 스위치에는 개별 양자 점프가 있습니다. 갇힌 원자 등에 대한 이전 실험에서 볼 수있는 것과 마찬가지로. 그러나이 경우 Devoret과 동료들은 새로운 것을 볼 수 있습니다.
어두운 상태로 점프하기 전에 클릭이 일시 중단 된 짧은 철자가있을 것입니다. 임박한 점프의 선구자 역할을하는 일시 중지. Devoret은“클릭하지 않은 기간의 길이가 두 번의 클릭 사이의 일반적인 시간을 크게 초과하자마자 점프가 발생할 것이라는 경고가 아주 좋습니다.
그 경고를 통해 연구원들은 점프를 더 자세히 연구 할 수있었습니다. 이 짧은 일시 정지를 보았을 때, 그들은 전환을 유도하는 광자의 입력을 끕니다. 놀랍게도, 어두운 상태로의 전환은 여전히 광자가 운전하지 않고도 발생했습니다. 마치 짧은 일시 정지가 시작될 때까지 운명은 이미 고정되어 있습니다. 점프 자체는 임의의 시간에 오하지만 그 접근 방식에는 결정 론적 인 것이 있습니다.
광자가 꺼지면서 연구원들은 세분화 된 시간 해상도로 점프를 확대하여 펼쳐지는 것을 보았습니다. Bohr과 Heisenberg의 갑작스런 양자 점프는 즉시 발생합니까? 아니면 Schrödinger가 주장했듯이 원활하게 발생합니까? 그렇다면 어떻게?
팀은 점프가 실제로 점진적이라는 것을 발견했습니다. 이는 직접 관찰이 시스템을 한 상태 또는 다른 상태로 만 공개 할 수 있지만, 양자 점프 중에 시스템은이 두 끝 상태의 중첩 또는 혼합물에 있습니다. 점프가 진행됨에 따라 직접 측정은 초기 상태보다는 최종을 산출 할 가능성이 높아질 것입니다. 시간이 지남에 따라 우리의 결정이 진화하는 방식과 비슷합니다. 파티에 머무르거나 떠날 수 있습니다. 이진 선택입니다. 그러나 저녁이 다가오고 피곤함에 따라“당신은 머물거나 떠나고 있습니까?”라는 질문이 있습니다. “나는 떠난다”고 대답을 얻을 가능성이 점점 높아집니다.
Yale 팀이 개발 한 기술은 양자 점프 중에 시스템의 변화하는 사고 방식을 보여줍니다. 단층 촬영 재구성이라는 방법을 사용하여 연구원들은 중첩에서 어두운 곳과 지상 상태의 상대적 가중치를 파악할 수 있습니다. 그들은이 무게가 몇 마이크로 초 기간에 걸쳐 점차적으로 변하는 것을 보았습니다. 그것은 매우 빠르지 만 순간은 아닙니다.
또한,이 전자 시스템은 너무 빠르기 때문에 연구자들이 두 상태가 발생할 때 스위치를 "잡을 수있다"는 다음, 광자의 맥박을 캐비티로 보내서 시스템을 어두운 상태로 다시 향상시켜 반전시킬 수 있습니다. 그들은 시스템이 마음을 바꾸고 결국 파티에 머물도록 설득 할 수 있습니다.
통찰력의 플래시
실험에 따르면 Quantum Jumps는“우리가 충분히 충분히 살펴보면 순간적이지 않습니다.”라고 Oliver는 말했습니다.“시간이 지남에 따라 전개되는 실제 물리적 사건입니다.
."점프"의 점진적은 양자 궤적 이론이라는 양자 이론의 형태로 예측되는 것입니다. 이는 이와 같은 개별 사건을 설명 할 수 있습니다. 독일 Aachen University의 양자 정보 전문가 인 David Divincenzo는“이론이 본 이론과 완벽하게 일치한다는 것은 안심이되고있다.
Devoret은 양자 점프가 발생하기 직전에 예측할 가능성이 화산 폭발과 비슷하다고 말했다. 각각의 분화는 예측할 수 없을 정도로 발생하지만, 비정형 적으로 조용한시기를 지켜 보면 일부 큰 것들이 예상 될 수 있습니다. "우리가 아는 한,이 선구적 신호 [양자 점프에 대한]는 이전에 제안되거나 측정되지 않았다"고 그는 말했다.
Devoret은 양자 점프에 선구자를 발견하는 능력은 양자 감지 기술의 응용을 찾을 수 있다고 말했다. 예를 들어, 원자 시계 측정에서는 시계를 원자의 전이 주파수와 동기화하려고합니다. 그러나 전환이 완료되기를 기다리지 않고 시작시 시작시 바로 감지 할 수 있다면 장기적으로 동기화가 더 빠르고 더 정확할 수 있습니다.
Divincenzo는이 작업이 양자 컴퓨팅에 대한 오류 수정에 대한 응용 프로그램을 찾을 수 있다고 생각하지만,“그 선이 상당히 줄어든다”고 생각합니다. 그러나 이러한 오류를 다루는 데 필요한 제어 수준을 달성하려면 입자 물리학의 데이터 집약적 상황과 마찬가지로 이러한 종류의 측정 데이터의 철저한 수확이 필요할 것이라고 Divincenzo는 말했다.
그러나 결과의 실제 가치는 실질적인 혜택에 있지 않습니다. 양자 세계의 일에 대해 우리가 배우는 문제의 문제입니다. 그렇습니다. 무작위로 촬영됩니다. 그러나 아니요, 순간 바보에 의해 구두점이 없습니다. Schrödinger는 적절하게 동시에 옳고 그름이었습니다.
이 기사는 Wired.com과 Investigacionyciencia.es에서 스페인어로 재 인쇄되었습니다. .
