Honestamente, até recentemente, eu achava que estávamos mais perto de criar um computador quântico e computação quântica de sistemas reais. Aconteceu que, embora isso seja mais como calcular a forma de um cavalo esférico no vácuo. Além disso, apesar do fato de a forma de um “cavalo” ser conhecida desde o início, algumas vezes o resultado é algo entre um “cubo” e uma “água-viva”. E só agora os físicos estão lentamente começando a se aproximar de algo que realmente se parece com a realidade.
Fui esclarecido sobre as possibilidades reais de cálculos da mecânica quântica pelo chefe do Laboratório de Metamateriais Supercondutores do NUST MISiS, professor Alexei Ustinov, com quem conversamos sobre a publicação de um
artigo com sua participação na Nature Communcations. Descobriu-se que em um sistema quântico é impossível introduzir corretamente perdas de energia. Mas eles são, e esse fato, que se destaca em todas as evidências, não pode ser ignorado indefinidamente. Além disso, eles estão sempre lá - qualquer medição de um sistema quântico leva à sua mudança e, como conseqüência, à troca de energia com o meio ambiente. Ou seja, qualquer sistema quântico está aberto. E como não se pode levar em conta as perdas?
No entanto, por invenções astutas, os físicos apresentaram várias opções de como as perdas de energia durante a interação de um quantum de luz e matéria não são levadas em consideração. Para começar, eles lembraram que quase qualquer substância consiste em átomos que interagem de alguma maneira entre si. Frequentemente, esses mesmos átomos formam laços bastante fortes entre si e se agrupam em moléculas. Mas a última consideração não é tão importante para nós quanto o fato de que novas ligações são formadas entre átomos - moleculares. E o comprimento dessa conexão varia com uma certa periodicidade. Consequentemente, um sistema de dois átomos pode ser matematicamente descrito como um oscilador harmônico. É com esse conjunto de osciladores harmônicos que a matéria é representada na mecânica quântica.
O próximo passo com minhas mãos é semelhante ao que minha filha mais velha levantava periodicamente ao resolver problemas de geometria, dizendo: "Deixe esse ângulo ser 30 graus". A suposição "Seja a força de interação de um quantum de luz e de uma substância seja desprezivelmente pequena" soa aproximadamente a mesma. Mais íngreme é apenas o credo dos quantistas modernos - a equação de Schrödinger, que por si só não é inferida, mas postulada. No entanto, esses jogos da mente tornaram possível descrever de alguma maneira os processos que ocorrem nos sistemas mecânicos quânticos. A palavra-chave aqui, é claro, é "de alguma forma". Essa definição também inclui o modelo de James-Cummings, que descreve a interação de apenas um, e mesmo assim um átomo de dois níveis com um oscilador sob condições severamente limitadas do sistema.
Parece, qual é o problema? Como existe interação, devemos levar em consideração. Mas mesmo para o "cavalo esférico no vácuo" descrito acima, essa mesma equação de Schrödinger, que, de fato, está tentando descrever a estrutura do átomo, poderia ser resolvida apenas para o sistema "um próton - um elétron". Tudo o resto é uma aproximação. No entanto, quero entender em detalhes o que está acontecendo nos mesmos lasers, por exemplo. Isso é se ele fala de um quantum pacífico. Além disso, um mal-entendido das propriedades fundamentais dos sistemas quânticos pode levar a um comprometimento dos canais de comunicação com base nos métodos de criptografia quântica. E esse argumento paranóico é do arsenal militar.
Ainda vamos falar sobre tecnologia pacífica. O processo quântico mais pacífico é a fotossíntese. Na verdade, tornou-se o mecanismo que os físicos quânticos tentaram entender. Mais uma vez, enquanto no modelo mais simples - um átomo de dois níveis e um modo. Mas já levando em consideração a forte interação de luz e matéria, que é aproximadamente 60% do nível de energia. Como lembramos, nos casos em que a força de interação entre luz e matéria é grande, não há métodos de cálculo. Portanto, a modelagem veio em socorro, chamada simulação quântica. Usando circuitos supercondutores, os cientistas criaram um modelo sobre o qual você pode ver a intensidade da interação. Você pode rastreá-lo devido a algum tipo de incidência ou, em termos científicos, de batidas - não é apenas quando o oscilador oscila com um determinado período, mas também quando a magnitude (amplitude) das oscilações do oscilador começa a oscilar com o período (veja a figura abaixo). Essas batidas puderam ser corrigidas no experimento.
Você pergunta, como ficou conhecido que as batidas deveriam aparecer lá? Tais sistemas simples, quando uma partícula pode fazer apenas uma transição de energia entre níveis, ainda podem ser calculados em um computador. Algo mais complicado é quase impossível. Somente com canetas para montar um sistema de qubits, resfrie-os até centésimos de Kelvin e faça medições. Portanto, os porões do NUST “MISiS” continuam a se transformar periodicamente no lugar mais frio de Moscou.