Ehrlich gesagt dachte ich bis vor kurzem, dass wir der Schaffung eines Quantencomputers und des Quantencomputers realer Systeme etwas näher sind. Es stellte sich heraus, dass dies eher der Berechnung der Form eines kugelförmigen Pferdes im Vakuum entspricht. Darüber hinaus ist das Ergebnis trotz der Tatsache, dass die Form eines solchen „Pferdes“ von Anfang an bekannt war, manchmal etwas zwischen einem „Würfel“ und einer „Qualle“. Und erst jetzt nähern sich die Physiker langsam etwas, das wirklich wie die Realität aussieht.
Der Leiter des Labors für supraleitende Metamaterialien von NUST MISiS, Professor Alexei Ustinov, mit dem wir über die Veröffentlichung eines
Artikels unter Beteiligung von Nature Communcations gesprochen haben, hat mich über die tatsächlichen Möglichkeiten quantenmechanischer Berechnungen aufgeklärt. Es stellte sich heraus, dass es in einem Quantensystem unmöglich ist, Energieverluste korrekt einzuführen. Aber sie sind es, und diese Tatsache, die in allen Beweisen auffällt, kann nicht auf unbestimmte Zeit ignoriert werden. Darüber hinaus sind sie immer da - jede Messung eines Quantensystems führt zu seiner Veränderung und damit zum Energieaustausch mit der Umwelt. Das heißt, jedes Quantensystem ist offen. Und wie kann man Verluste nicht berücksichtigen?
Trotzdem haben Physiker durch listige Erfindungen verschiedene Möglichkeiten gefunden, wie Energieverluste während der Wechselwirkung eines Quantums aus Licht und Materie nicht berücksichtigt werden. Zunächst erinnerten sie sich daran, dass fast jede Substanz aus Atomen besteht, die auf irgendeine Weise miteinander interagieren. Sehr oft bilden dieselben Atome ziemlich starke Bindungen miteinander und bilden Moleküle. Die letzte Überlegung ist für uns jedoch nicht so wichtig wie die Tatsache, dass neue Bindungen zwischen Atomen gebildet werden - molekulare. Und die Länge dieser Verbindung variiert mit einer bestimmten Periodizität. Dementsprechend kann ein System aus zwei Atomen mathematisch als harmonischer Oszillator beschrieben werden. Mit einem solchen Satz harmonischer Oszillatoren wird Materie in der Quantenmechanik dargestellt.
Der nächste Durchgang mit meinen Händen ähnelt dem, was meine älteste Tochter bei der Lösung von Geometrieproblemen regelmäßig aufstand und sagte: „Dieser Winkel soll 30 Grad betragen.“ Die Annahme „Die Wechselwirkungskraft eines Lichtquantums und einer Substanz sei vernachlässigbar klein“ klingt ungefähr gleich. Steiler ist nur das Credo moderner Quantisten - die Schrödinger-Gleichung, die an sich nicht abgeleitet, sondern postuliert wird. Trotzdem ermöglichten solche Denkspiele, die in quantenmechanischen Systemen ablaufenden Prozesse irgendwie zu beschreiben. Das Schlüsselwort hier ist natürlich "irgendwie". Diese Definition umfasst auch das James-Cummings-Modell, das die Wechselwirkung von nur einem und selbst dann einem zweistufigen Atom mit einem Oszillator unter stark eingeschränkten Systembedingungen beschreibt.
Es scheint, was ist das Problem? Da es Interaktion gibt, müssen wir dies berücksichtigen. Aber selbst für das oben beschriebene „kugelförmige Pferd im Vakuum“ konnte diese Schrödinger-Gleichung, die tatsächlich versucht, die Struktur des Atoms zu beschreiben, nur für das System „ein Proton - ein Elektron“ gelöst werden. Alles andere ist eine Annäherung. Trotzdem möchte ich im Detail verstehen, was zum Beispiel in denselben Lasern passiert. Dies ist, wenn es von einem friedlichen Quantum spricht. Darüber hinaus kann ein Missverständnis der grundlegenden Eigenschaften von Quantensystemen zu einem Kompromiss von Kommunikationskanälen führen, die auf Quantenkryptographieverfahren basieren. Und dieses paranoide Argument stammt aus dem Arsenal des Militärs.
Lassen Sie uns dennoch über friedliche Technologie sprechen. Der friedlichste Quantenprozess ist die Photosynthese. Tatsächlich wurde es der Mechanismus, den Quantenphysiker zu verstehen versuchten. Wiederum beim einfachsten Modell - einem zweistufigen Atom und einem Modus. Berücksichtigt man aber bereits die starke Wechselwirkung von Licht und Materie, die etwa 60% des Energieniveaus ausmacht. Wie wir uns erinnern, gibt es für Fälle, in denen die Wechselwirkungskraft zwischen Licht und Materie groß ist, keine Berechnungsmethoden. Daher kam die Modellierung, die Quantensimulation genannt, zur Hilfe. Mithilfe von supraleitenden Schaltkreisen haben Wissenschaftler ein Modell erstellt, anhand dessen Sie sehen können, wie stark die Wechselwirkung ist. Sie können es aufgrund einer Art von Inzidenz oder wissenschaftlich gesehen aufgrund von Beats verfolgen - dies ist nicht nur dann der Fall, wenn der Oszillator mit einer bestimmten Periode schwingt, sondern auch, wenn die Größe (Amplitude) der Oszillatorschwingungen mit seiner Periode zu schwingen beginnt (siehe Abbildung unten). Diese Beats konnten im Experiment fixiert werden.
Sie fragen, wie wurde bekannt, dass die Beats dort erscheinen sollten? Solche einfachen Systeme, bei denen ein Teilchen nur einen Energieübergang zwischen Ebenen durchführen kann, können immer noch auf einem Computer berechnet werden. Etwas komplizierteres ist fast unmöglich. Nur mit Stiften, um ein System von Qubits zusammenzusetzen, kühlen Sie sie auf Hundertstel Kelvin ab und nehmen Sie Messungen vor. So werden die Keller von NUST „MISiS“ immer wieder zum kältesten Ort in Moskau.