Физики установили, что квантовые случайные блуждания позволяют частице уйти гораздо "дальше" за то же время, чем классические случайные блуждания. Статья исследователей с подробным изложением результатов появилась в журнале Science, а ее краткое изложение приводит ScienceNOW.
Классические случайные блуждания с дискретным временем - математический аппарат, который позволяет описывать различные процессы от диффузии газов до стоимости ценных бумаг на бирже. В самой простой формулировке задача выглядит следующим образом: предположим, что на прямой имеется частица, способная в каждый момент времени перемещаться на фиксированное расстояние вправо или влево. Направление определяется случайно с вероятностью 0.5. На первый взгляд кажется, что частица должна колебаться вокруг начала координат, однако, оказывается, что через N шагов она в среднем удаляется от начала отсчета на расстояние N0.5.
В рамках исследования ученых интересовал квантовый аналог данной задачи. Для этого они поместили атом цезия внутрь двух лазерных лучей, "смотрящих" навстречу друг другу. Сначала исследователи переводили спин атома в некоторую суперпозицию двух состояний, обозначаемых обычно "вверх" и "вниз". Затем ученые меняли поляризацию лучей так, что атом со спином "вверх" должен был "прыгнуть" на единицу вправо, а атом со спином "вниз" - на единицу влево.
Эта операция проделывалась несколько раз. Так как спин был в суперпозиции двух состояний, то с точки зрения квантовой механики местоположение атома описывалось дискретной волновой функцией: то есть атом цезия находился с определенной вероятностью в нескольких точках прямой. За N шагов атом мог "упрыгать" вправо или влево на N, то есть с некоторыми вероятностями (может и нулевыми) находился в 2N - 1 точках прямой. Чтобы подсчитать приближенное значение вероятности обнаружения атома в каждой из этих точек, исследователи проделывали данный опыт большое количество раз. Анализ полученного распределения вероятностей позволил установить, что в среднем за N шагов, квантовая частица удаляется от начала координат на расстояние, пропорциональное количеству шагов, то есть закон принципиально отличается от классического.
Сами исследователи отмечают, что помимо теоретического интереса их открытие может иметь и практическое значение. В частности, речь идет о том, что некоторое количество подобных частиц может быть использовано при создании квантовых компьютеров. Как именно предполагается их использовать, исследователи не уточняют.
Совсем недавно физикам удалось создать первый твердотельный квантовый процессор, оперирующий двумя кубитами. В отличие от предыдущих конструкций, которые представляли собой, например, ионы в магнитных ловушках, данный процессор напоминает обычные современные микрочипы. Исследователи использовали данное устройство, чтобы решить несколько теоретических задач. Например, они смогли реализовать алгоритмы Гровера и Дойче-Джозе.