„Tai buvo tikras atsitiktinumas.“ Kvantinis eksperimentas perrašė šimtmečio senumo chemijos dėsnį

Kvantinis požiūris keičia 135 metų senumo chemijos dėsnį. Atlikus eksperimentą su vienu kvantiniu bitu (kubitu) paaiškėjo, kad Arenijaus lygtis, kurioje aprašoma reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros, turi būti modifikuota, kad ją būtų galima taikyti kvantinėje sferoje.

Rodrigo Cortiñas iš Jeilio universiteto sako, kad niekada neabejojo, jog Arenijaus lygtį galima tiesiogiai perkelti į kvantinį eksperimentą – kol jis ir jo komanda nenustatė, kad yra kitaip.

„Tai buvo tikras atsitiktinumas“, – sako jis. R.

Cortiñas ir jo kolegos sukūrė kubitą – pagrindinę kvantinių kompiuterių sudedamąją dalį – iš mažos superlaidžios grandinės, kurią jie galėjo valdyti mikrobangomis. Jie privertė grandinės srovę svyruoti vadinamojoje potencinės energijos duobėje. Tai šiek tiek panašu į vyšninį pomidorą, besisukantį pirmyn ir atgal gilaus salotų dubens dugne, tik jų įrenginyje buvo dvi potencialo duobės. Dėl kvantinio tuneliavimo reiškinio, kai kvantiniai objektai gali įveikti paprastai neįveikiamus energijos barjerus, sistemos trikdžiai galėjo priversti kubitą netikėtai persikelti iš vienos potencialo duobės į kitą.

Nickas Frattini iš kanadiečių kompanijos „Nord Quantique“ , kuris dirbo prie eksperimento, sako, kad komanda norėjo sužinoti, kaip tai sustabdyti – ir Arenijaus lygtis tam turėjo būti naudinga. Pagal šį dėsnį, didėjant energijos skirtumui tarp dviejų potencialo duobi7, turėtų eksponentiškai mažėti kubito tuneliavimo tarp jų dažnumas. Tai reiškia, kad nubrėžus šio energijos skirtumo ir tuneliavimo greičio grafiką turėtų susidaryti tolygi kreivė. Vietoj to tyrėjų duomenys rodė nelygią liniją, primenančią laiptus.

Galiausiai jie suprato, kad tai yra fundamentalių kvantinių apribojimų, susijusių su tuo, kokias energijas gali turėti kubitas, pasekmė. Makroskopiniame pasaulyje pagal Arenijaus lygtį leidžiamas bet koks energijos lygis, tačiau kvantinė teorija leidžia tik tam tikrą specialių reikšmių rinkinį – diskrečiųjų energijos lygių kopėčias. Kvantiniams objektams, tokiems kaip kubitas, Arenijaus dėsnis turi atspindėti šią struktūrą.

Taigi, kiekvienas tyrėjų duomenų žingsnis atitiko tam tikrą kubito energijos lygį. R. Cortiñas sako, kad techniškai sudėtinga eksperimentuoti su kubitu, kuris gali būti bet kurioje energijos laiptelio pakopoje, o eksperimentuose paprastai tiriami tik pirmieji du, todėl ankstesniuose darbuose nebuvo galima atskleisti viso efekto.

Jonathanas Friedmanas iš Amhersto koledžo (JAV) ištyrė panašų laipsnišką dalelių kvantinių būsenų keitimą magnetuose. Jis teigia, kad naudojant įprastinę, sklandžią Arenijaus lygties versiją sistemose, kuriose gali pasireikšti kvantiniai efektai, gali atsirasti didelių klaidų. Tokių objektų, kaip magnetai, superlaidininkai ir kubitai atvejais galima tikėtis, kad jų kvantinės būsenos labai pasikeis atlikus nedidelį pokytį – pavyzdžiui, pakeitus temperatūrą ar magnetinį lauką. Tačiau, jei pataikysite į vieną Arenijaus laiptų pakopą, iš tikrųjų neįvyks beveik jokių pokyčių, sako jis.

R. Cortiñui ir N.Frattini atsitiktinis atradimas taip pat padėjo patobulinti kiekvienam savo kubitą, kaip jie ir planavo. Dabar jie gali priversti kubitą išlikti vienoje potencialo duobėje 10 kartų ilgiau nei anksčiau – tai yra būtina, kad kubitą būtų galima sujungti su kitais kubitais ir sukurti veikiantį kvantinį kompiuterį.

Tyrimas paskelbtas moksliniame žurnale „Physical Review“.

Parengta pagal „New Scientist“.