Что общего между теннисными ракетками и квантом? Полет теннисной ракетки по воздуху помогает предсказать квантовое поведение. «Используя аналогию с классической физикой, мы можем более эффективно проектировать и иллюстрировать надежное управление явлениями в квантовом мире», - говорит Штеффен Глейзер, профессор химического факультета Технического университета Мюнхена TUM.
Квант под контролем
«Контролировать свойства квантов и использовать их для технических процессов до сих пор было сложно, потому что кванты следуют своим собственным законам, которые часто превосходят наше воображение», - объясняет ученый. «Возможные применения, такие как защищенные от ударов сети, высокочувствительные измерительные устройства и сверхбыстрые квантовые компьютеры, все еще находятся в зачаточном состоянии».
Чтобы технически использовать квантовые эффекты, на поведение частиц влияют электромагнитные поля. Самые быстрые возможные методы используются для разработки отказоустойчивых последовательностей управления. Однако до сих пор большинство методов были основаны на очень сложных вычислительных процедурах.
Перспективный подход: эффект теннисной ракетки
Вместе с международной командой из области физики, химии и математики исследователь нашел неожиданный, многообещающий новый подход: с помощью эффекта теннисной ракетки, давно известного явления классической механики, можно проиллюстрировать, как момент импульса квантовой энергии электромагнитные команды управления могут быть надежно изменены.
Теннисная ракетка в полете
Эффект теннисной ракетки описывает, что происходит, когда вы бросаете ракетку в воздух, заставляя ее вращаться. Любой, кто пытается повернуть летучую мышь вокруг своей поперечной оси во время полета, испытывает небольшой сюрприз: одновременно с предполагаемым вращением на 360 градусов вокруг поперечной оси летучая мышь почти всегда выполняет дополнительный поворот на 180 градусов вокруг своей продольной оси. Если вы ловите ракетку, то нижняя сторона указывает вверх.
«Этот эффект вызван небольшими неточностями и сбоями во время выброса и различными моментами инерции трех осей асимметричного тела. Вместо теннисной ракетки вы также можете выбросить книгу или мобильный телефон в воздух - чтобы быть уверенным на мягкой поверхности - чтобы увидеть эффект », - объясняет Глейзер. Самая длинная и самая короткая оси вращения устойчивы. Однако центральная ось, в случае теннисной ракетки, поперечная ось, является нестабильной, и даже минимальные возмущения очень надежно приводят к дополнительному повороту на 180 градусов.
Квант в движении
Кванты также имеют крутящий момент, вращение. На это можно влиять, применяя электромагнитные поля. «Цель квантовой технологии состоит в том, чтобы конкретно изменить ориентацию вращения и тем самым минимизировать ошибки, вызванные небольшими возмущениями», - говорит Глейзер.
«Найденная математическая аналогия между геометрическими свойствами классической физики свободно вращающихся объектов и контролем квантовых явлений теперь может быть использована для оптимизации электромагнитного контроля квантовых состояний», - резюмирует соавтор профессор Доминик Сугни. Как сотрудник Ганса Фишера, ученый из Французского университета Бургундии также проводит исследования в Институте перспективных исследований TUM.
Новые надежные модели
Команда смогла экспериментально подтвердить, что эффект теннисной ракетки действительно помогает улучшить надежность последовательностей контроля путем измерений ядерных спинов. Теперь они опубликовали свои результаты в научных отчетах. «На основе этого исследования мы теперь можем разработать более эффективные математические модели, которые могут помочь избежать ошибок в управлении квантовыми процессорами», - добавляет Глейзер. «Опираясь на хорошо понятые явления классической физики, разработка надежных управляющих последовательностей в квантовой технологии может быть не только проиллюстрирована, но и значительно ускорена». (Mz)