นักฟิสิกส์สามารถทำนายการกระโดดของแมวชโรดิงเงอร์ได้ (และช่วยชีวิตมันได้ในที่สุด)

การค้นพบนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถตั้งค่าระบบเตือนภัยล่วงหน้าสำหรับการกระโดดที่ใกล้เข้ามาของอะตอมเทียมที่มีข้อมูลควอนตัม การศึกษาที่ประกาศการค้น พบนี้ปรากฏในวารสารNature ฉบับออนไลน์วันที่ 3 มิถุนายน แมวของชเรอดิงเงอร์เป็นความขัดแย้งที่รู้จักกันดีซึ่งใช้ในการแสดงแนวคิดของการซ้อนทับ ซึ่งเป็นความสามารถที่สถานะตรงข้ามสองสถานะดำรงอยู่พร้อมกัน และความไม่แน่นอนในฟิสิกส์ควอนตัม แนวคิดคือให้แมวอยู่ในกล่องที่ปิดสนิทซึ่งมีแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสีและพิษที่จะถูกกระตุ้นหากอะตอมของสารกัมมันตภาพรังสีสลายตัว ทฤษฎีการซ้อนทับของควอนตัมฟิสิกส์เสนอว่าจนกว่าจะมีคนเปิดกล่อง แมวจะมีทั้งชีวิตและตาย ซึ่งเป็นการซ้อนทับของสถานะต่างๆ การเปิดกล่องเพื่อสังเกตแมวทำให้มันเปลี่ยนสถานะควอนตัมอย่างกะทันหันโดยสุ่ม บังคับให้มันตายหรือยังมีชีวิตอยู่ การกระโดดควอนตัมเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ต่อเนื่อง (ไม่ต่อเนื่อง) และการเปลี่ยนแปลงแบบสุ่มในสถานะเมื่อมีการสังเกต การทดลองนี้ดำเนินการในห้องทดลองของศาสตราจารย์เยล มิเชล เดโวเร็ต และเสนอโดยผู้เขียนนำ ซลัตโก มิเนฟ โดยศึกษาการทำงานที่แท้จริงของการกระโดดควอนตัมเป็นครั้งแรก ผลการวิจัยเผยให้เห็นการค้นพบที่น่าประหลาดใจซึ่งขัดแย้งกับมุมมองของ Niels Bohr นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กที่ว่า การกระโดดนั้นไม่ได้เกิดขึ้นอย่างกะทันหันหรือสุ่มอย่างที่เคยคิดไว้ สำหรับวัตถุขนาดเล็ก เช่น อิเล็กตรอน โมเลกุล หรืออะตอมเทียมที่มีข้อมูลควอนตัม (เรียกว่า คิวบิต) การกระโดดควอนตัมคือการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันจากสถานะพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง ในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม นักวิจัยจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องจัดการกับการกระโดดของคิวบิต ซึ่งเป็นการแสดงข้อผิดพลาดในการคำนวณ การกระโดดควอนตัมที่น่าฉงนถูกตั้งทฤษฎีโดย Bohr เมื่อหนึ่งศตวรรษก่อน แต่ไม่มีใครสังเกตเห็นจนถึงปี 1980 ในอะตอม Devoret, FW Beinecke ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ประยุกต์และฟิสิกส์ที่ Yale และเป็นสมาชิกของ Yale Quantum Institute กล่าวว่า "การกระโดดเหล่านี้เกิดขึ้นทุกครั้งที่เราวัดควิบิต" "การกระโดดควอนตัมเป็นที่ทราบกันดีว่าไม่สามารถคาดเดาได้ในระยะยาว" "ถึงอย่างนั้น" มิเนฟกล่าวเสริม "เราต้องการทราบว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะได้รับสัญญาณเตือนล่วงหน้าว่าการกระโดดกำลังจะเกิดขึ้นในไม่ช้า" มิเนฟสังเกตว่าการทดลองได้รับแรงบันดาลใจจากการทำนายเชิงทฤษฎีของศาสตราจารย์ Howard Carmichael แห่งมหาวิทยาลัยโอ๊คแลนด์ ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกทฤษฎีควอนตัมโคจรและเป็นผู้เขียนร่วมของการศึกษานี้ นอกเหนือจากผลกระทบพื้นฐานแล้ว แมว การค้นพบนี้ยังเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการทำความเข้าใจและควบคุมข้อมูลควอนตัม นักวิจัยกล่าวว่าการจัดการข้อมูลควอนตัมที่เชื่อถือได้และการแก้ไขข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นนั้นเป็นความท้าทายที่สำคัญในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประโยชน์อย่างเต็มที่ ทีมงานของ Yale ใช้วิธีการพิเศษในการตรวจสอบอะตอมเทียมที่มีตัวนำยิ่งยวดทางอ้อม โดยใช้เครื่องกำเนิดไมโครเวฟ 3 เครื่องฉายรังสีอะตอมที่อยู่ในโพรง 3 มิติที่ทำจากอะลูมิเนียม วิธีการตรวจสอบทางอ้อมสองเท่าที่พัฒนาโดย Minev สำหรับวงจรตัวนำยิ่งยวด ช่วยให้นักวิจัยสังเกตอะตอมได้อย่างมีประสิทธิภาพอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน รังสีไมโครเวฟจะกวนอะตอมเทียมในขณะที่ถูกสังเกตพร้อมๆ กัน ส่งผลให้เกิดการกระโดดควอนตัม สัญญาณควอนตัมขนาดเล็กของการกระโดดเหล่านี้สามารถขยายได้โดยไม่สูญเสียอุณหภูมิห้อง ที่นี่สามารถตรวจสอบสัญญาณของพวกเขาได้แบบเรียลไทม์ สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยสามารถมองเห็นโฟตอนการตรวจจับที่ขาดหายไปอย่างกะทันหัน (โฟตอนที่ปล่อยออกมาจากสถานะเสริมของอะตอมที่ตื่นเต้นโดยไมโครเวฟ) การขาดหายไปเล็กน้อยนี้เป็นคำเตือนล่วงหน้าของการกระโดดควอนตัม Devoret กล่าวว่า "ผลที่สวยงามที่แสดงโดยการทดลองนี้คือการเพิ่มการเชื่อมโยงกันระหว่างการกระโดด แม้ว่าจะมีการสังเกตก็ตาม" Devoret กล่าว มิเนฟเสริมว่า "คุณสามารถใช้สิ่งนี้เพื่อไม่เพียงแต่จับการกระโดด แต่ยังพลิกกลับได้ด้วย" นี่เป็นจุดสำคัญ นักวิจัยกล่าว แม้ว่าการกระโดดควอนตัมจะดูไม่ต่อเนื่องและสุ่มในระยะยาว การย้อนกลับของควอนตัมจัมพ์หมายถึงการวิวัฒนาการของสถานะควอนตัมซึ่งบางส่วนมีลักษณะที่กำหนดขึ้นและไม่ใช่การสุ่ม การกระโดดจะเกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันเสมอและคาดเดาได้จากจุดเริ่มต้นแบบสุ่ม "การกระโดดควอนตัมของอะตอมค่อนข้างคล้ายกับการปะทุของภูเขาไฟ" มิเนฟกล่าว "สิ่งเหล่านี้ไม่สามารถคาดเดาได้อย่างสมบูรณ์ในระยะยาว อย่างไรก็ตาม ด้วยการตรวจสอบที่ถูกต้อง เราสามารถตรวจจับคำเตือนล่วงหน้าเกี่ยวกับภัยพิบัติที่ใกล้เข้ามาได้อย่างแน่นอน และดำเนินการก่อนที่มันจะเกิดขึ้น ผู้เขียนร่วมเพิ่มเติมของการศึกษา ได้แก่ Robert Schoelkopf, Shantanu Mundhada, Shyam Shankar และ Philip Reinhold ทั้งหมดจาก Yale; Ricardo Gutiérrez-Jáuregui แห่งมหาวิทยาลัยโอ๊คแลนด์; และ Mazyar Mirrahimi จาก French Institute for Research in Computer Science and Automation การวิจัยได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิจัยกองทัพสหรัฐฯ การศึกษาครั้งใหม่นี้เป็นขั้นตอนล่าสุดในงานวิจัยควอนตัมของเยล นักวิทยาศาสตร์ของ Yale อยู่ในระดับแนวหน้าของความพยายามในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประโยชน์อย่างเต็มที่เครื่องแรก และได้ทำงานบุกเบิกในการคำนวณควอนตัมด้วยวงจรตัวนำยิ่งยวด