В лаборатории Университета Цинхуа (Китай) экспериментально смоделирован эффект квантового туннелирования — преодоления частицей потенциального барьера, высота которого превосходит её полную энергию.

Туннелирование, невозможное в рамках классической механики, уже давно применяется на практике: оно, к примеру, обеспечивает работу туннельных диодов и сканирующих туннельных микроскопов. Для моделирования чисто квантового явления было бы логично использовать квантовую систему, и в начале 2012-го сотрудник американского Университета Джорджии Эндрю Сорнборгер (Andrew Sornborger) составил описание довольно простого опытного алгоритма, который требует всего двух кубитов. Взяв исследование американского физика за основу, китайцы реализовали его идею по методике жидкостной спектроскопии ядерного магнитного резонанса.

Принцип моделирования, предложенный г-ном Сорнборгером, состоит в том, чтобы дискретизировать непрерывные пространство и время. Одномерная волновая функция частицы, движение которой в двуямном потенциале предполагается имитировать, при этом сохраняется в n-кубитовом квантовом регистре; если ограничиться парой кубитов, то состояния |00>, |01>, |10> и |11> будут отвечать четырём возможным вариантам пространственного расположения. На каждом временнóм шаге учёные проводят некоторые операции над кубитами, предписанные алгоритмом, после чего определяют вероятности того, что частица находится в той или иной позиции.

Двуямный потенциал с барьером, сквозь который частица может туннелировать (иллюстрация из Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics).

В своём эксперименте авторы использовали раствор хлороформа, помеченного углеродом-13, при комнатной температуре в 295 К. Водород 1Н и углерод 13С представляли первый и второй кубиты. В начале моделирования частица считалась захваченной в потенциальной яме в состоянии |01>, то есть во второй точке пространственной решётки, а другая потенциальная яма, отделённая барьером, располагалась в четвёртой точке (|11>).

Результаты опыта показаны на рисунке ниже, где вертикальные полоски разных цветов отмечают вероятности разных состояний: синяя соответствует |00>, голубая — |01>, жёлтая — |10>, коричневая — |11>. Хорошо видно, что на верхней диаграмме частица туннелирует из |01> в |11>, а шансы на обнаружение её, так сказать, внутри барьера чрезвычайно малы. При построении нижней диаграммы частицу сделали свободной, что привело к ожидаемому выравниванию вероятностей.

Результаты экспериментов, полученные при моделировании эволюции свободной квантовой частицы (снизу) и частицы в двуямном потенциале. Различия становятся очевидными уже на четвёртом шаге. (Иллюстрация авторов работы.)