Honestamente, hasta hace poco, pensaba que estábamos algo más cerca de crear una computadora cuántica y la computación cuántica de sistemas reales. Resultó que si bien esto es más como calcular la forma de un caballo esférico en el vacío. Además, a pesar del hecho de que la forma de tal "caballo" se conocía desde el principio, a veces el resultado es algo entre un "cubo" y una "medusa". Y solo ahora los físicos comienzan a acercarse lentamente a algo que realmente se parece a la realidad.
El director del Laboratorio de Metamateriales Superconductores de NUST MISiS, el profesor Alexei Ustinov, con quien hablamos sobre la publicación de un
artículo con su participación en Nature Communcations, me iluminó sobre las posibilidades reales de los cálculos de mecánica cuántica. Resultó que en un sistema cuántico es imposible introducir correctamente las pérdidas de energía. Pero lo son, y este hecho, que sobresale en todas las pruebas, no puede ser ignorado indefinidamente. Además, siempre están ahí: cualquier medición de un sistema cuántico conduce a su cambio y, como consecuencia, al intercambio de energía con el medio ambiente. Es decir, cualquier sistema cuántico está abierto. ¿Y cómo no se pueden tener en cuenta las pérdidas?
Sin embargo, mediante inventos astutos, los físicos han ideado varias opciones sobre cómo no se tienen en cuenta las pérdidas de energía durante la interacción de un cuanto de luz y materia. Para empezar, recordaron que casi cualquier sustancia consiste en átomos que interactúan de alguna manera entre sí. Muy a menudo, estos mismos átomos forman enlaces bastante fuertes entre sí y se ensamblan en moléculas. Pero la última consideración no es tan importante para nosotros como el hecho de que se forman nuevos enlaces entre los átomos: los moleculares. Y la duración de esta conexión varía con cierta periodicidad. En consecuencia, un sistema de dos átomos puede describirse matemáticamente como un oscilador armónico. Es con este conjunto de osciladores armónicos que la materia está representada en la mecánica cuántica.
El siguiente pase con mis manos es similar a lo que mi hija mayor se levantaba periódicamente al resolver problemas de geometría, diciendo: "Deje que este ángulo sea de 30 grados". La suposición "Deje que la fuerza de interacción de un cuanto de luz y una sustancia sea insignificantemente pequeña" suena aproximadamente igual. Steeper es solo el credo de los cuantistas modernos: la ecuación de Schrödinger, que en sí misma no se infiere, sino que se postula. Sin embargo, tales juegos de la mente permitieron describir de alguna manera los procesos que ocurren en los sistemas de mecánica cuántica. La palabra clave aquí, por supuesto, es "de alguna manera". Esta definición también incluye el modelo James-Cummings, que describe la interacción de solo uno, e incluso entonces, un átomo de dos niveles con un oscilador en condiciones de sistema severamente limitantes.
Parecería, ¿cuál es el problema? Como hay interacción, debemos tenerla en cuenta. Pero incluso para el "caballo esférico en el vacío" descrito anteriormente, esta misma ecuación de Schrödinger, que, de hecho, está tratando de describir la estructura del átomo, podría resolverse solo para el sistema "un protón - un electrón". Todo lo demás es una aproximación. Sin embargo, quiero entender en detalle lo que sucede en los mismos láseres, por ejemplo. Esto es si habla de un cuanto pacífico. Además, un malentendido de las propiedades fundamentales de los sistemas cuánticos puede llevar a un compromiso de los canales de comunicación basados en métodos de criptografía cuántica. Y este argumento paranoico es del arsenal de los militares.
Aunque, sigamos hablando de tecnología pacífica. El proceso cuántico más pacífico es la fotosíntesis. En realidad, se convirtió en el mecanismo que los físicos cuánticos intentaron entender. Una vez más, en el modelo más simple: un átomo de dos niveles y un modo. Pero ya teniendo en cuenta la fuerte interacción de la luz y la materia, que es aproximadamente el 60% del nivel de energía. Como recordamos, para los casos en que la fuerza de interacción entre la luz y la materia es grande, no existen métodos de cálculo. Por lo tanto, el modelado vino al rescate, llamado simulación cuántica. Mediante el uso de circuitos superconductores, los científicos han creado un modelo en el que se puede ver qué tan fuerte surge la interacción. Puede rastrearlo debido a algún tipo de incidencia o, en términos científicos, latidos: esto no es solo cuando el oscilador oscila con un cierto período, sino también cuando la magnitud (amplitud) de las oscilaciones del oscilador comienza a oscilar con su período (consulte la figura a continuación). Estos latidos pudieron arreglarse en el experimento.
Usted pregunta, ¿cómo se supo que los ritmos debían aparecer allí? Tales sistemas simples, cuando una partícula puede hacer solo una transición de energía entre niveles, aún se pueden calcular en una computadora. Algo más complicado es casi imposible. Solo con bolígrafos para ensamblar un sistema de qubits, enfríelos a centésimas de Kelvin y tome medidas. Por lo tanto, los sótanos de NUST "MISiS" continúan convirtiéndose periódicamente en el lugar más frío de Moscú.