Fizicienii descoperă o nouă modalitate de a vedea obiectele fără a le privi

• Fizicienii au demonstrat că este posibil să se folosească natura ondulatorie a luminii pentru a explora spații fără a evoca comportamentul său asemănător cu cel al particulelor.
• „Măsurarea fără interacțiune este un efect cuantic fundamental prin care prezența unui obiect fotosensibil este determinată fără absorbția ireversibilă a fotonilor”, scriu cercetătorii în lucrarea publicată.
• Experimentele efectuate de echipă au fost susținute de modele teoretice care au confirmat rezultatele.

În mod normal, pentru a măsura un obiect trebuie să interacționăm cu el într-un anumit fel. Fie că este vorba de o împunsătură sau de o înțepătură, de un ecou de unde sonore sau de o ploaie de lumină, este aproape imposibil să privim fără să atingem.

În lumea fizicii cuantice, există câteva excepții de la această regulă. Cercetătorii de la Universitatea Aalto din Finlanda propun o modalitate de a „vedea” un puls de microunde fără absorbția și reemisia vreunei unde luminoase. Este un exemplu de măsurare specială fără interacțiune, în care ceva este observat fără a fi zdruncinat de o particulă mediatoare.

Conceptul fundamental de „a privi fără a atinge” nu este nou. Fizicienii au demonstrat că este posibil să se folosească natura ondulatorie a luminii pentru a explora spații fără a evoca comportamentul său asemănător cu cel al particulelor, împărțind undele de lumină aliniate în mod ordonat pe căi diferite și comparând apoi călătoriile lor.

În loc de lasere și oglinzi, echipa a folosit microunde și semiconductori, ceea ce face ca această realizare să fie una aparte. Configurația a folosit ceea ce se numește un dispozitiv transmon pentru a detecta o undă electromagnetică pulsată într-o cameră.

Deși sunt relativ mari pentru standardele cuantice, aceste dispozitive imită comportamentul cuantic al particulelor individuale pe mai multe niveluri, folosind un circuit supraconductor.

„Măsurarea fără interacțiune este un efect cuantic fundamental prin care prezența unui obiect fotosensibil este determinată fără absorbția ireversibilă a fotonilor”, scriu cercetătorii în lucrarea publicată.

„Aici propunem conceptul de detecție coerentă fără interacțiune și îl demonstrăm experimental folosind un circuit supraconductor de transmoni pe trei niveluri.”

Echipa s-a bazat pe coerența cuantică produsă de sistemul lor pe măsură – capacitatea obiectelor de a ocupa două stări diferite în același timp, precum pisica lui Schrödinger – pentru a reuși să realizeze configurația complexă.

„A trebuit să adaptăm conceptul la diferitele instrumente experimentale disponibile pentru dispozitivele supraconductoare”, spune fizicianul cuantic Gheorghe Sorin Paraoanu, de la Universitatea Aalto din Finlanda.

„Din acest motiv, a trebuit, de asemenea, să modificăm protocolul standard fără interacțiune într-un mod crucial: am adăugat un alt strat de cuanticitate prin utilizarea unui nivel energetic mai ridicat al transmonului. Apoi, am folosit coerența cuantică a sistemului cu trei niveluri rezultat ca resursă.”

Experimentele efectuate de echipă au fost susținute de modele teoretice care au confirmat rezultatele. Este un exemplu a ceea ce oamenii de știință numesc avantajul cuantic, capacitatea dispozitivelor cuantice de a depăși ceea ce este posibil cu dispozitivele clasice.

În peisajul delicat al fizicii cuantice, a atinge lucrurile este asemănător cu a le sparge. Nimic nu strică o undă ordonată de probabilitate mai mult decât crunch-ul realității. Pentru cazurile în care detecția necesită o atingere mai delicată, metodele alternative de detecție – precum aceasta – ar putea fi utile.

Printre domeniile în care poate fi aplicat acest protocol se numără calculul cuantic, imagistica optică, detectarea zgomotului și distribuția cheilor criptografice. În fiecare caz, eficiența sistemelor implicate ar fi semnificativ îmbunătățită.

„În calculul cuantic, metoda noastră ar putea fi aplicată pentru diagnosticarea stărilor de microunde-foton în anumite elemente de memorie”, spune Paraoanu. „Aceasta poate fi considerată o modalitate foarte eficientă de a extrage informații fără a perturba funcționarea procesorului cuantic.”