Сапфировый кот Шредингера показывает, что квантовые эффекты могут масштабироваться

Nov 22, 2023

В куске сапфирового стекла внутри специально разработанного устройства (показано) ученые создали имитацию мертвого и живого кота Шредингера, в котором кристалл покачивается в двух направлениях одновременно.

Маттео Фадель

Эмили Коновер

25 апреля 2023 г., 9:00

В соответствии с великой традицией пухлых кошек, недавно созданный квантовый «кот» особенно массивен — по крайней мере, для квантового мира.

Ученые поместили покачивающийся кусок сапфирового кристалла в так называемое «состояние кошки», в котором объект существует одновременно в двух разных состояниях. Эта ситуация напоминает любимого воображаемого кошачьего физиков, кота Шредингера, известного тем, что он жив и мертв одновременно.

Новый сапфировый кот имеет относительно большой вес — 16 микрограммов, сообщают физики в журнале Science от 21 апреля. Это почти половина массы ресницы и более чем в 100 триллионов раз больше массы кошачьих состояний, ранее созданных с помощью молекул. «Мы достигли нового режима, в котором квантовая механика, очевидно, работает», — говорит физик Йивэнь Чу из ETH Zurich.

В квантовой притче, придуманной в 1930-х годах физиком Эрвином Шредингером, кот заперт в ящике и из-за квантовых эффектов оказывается одновременно живым и мертвым (SN: 26.05.16). Этот парадоксальный сценарий не происходит в реальном мире. Хотя квантовые частицы способны существовать одновременно в двух различных состояниях (что называется суперпозицией), эти эффекты нивелируются для веществ размером с кошку.

Квантовые эффекты обычно ограничиваются атомами, молекулами и т.п. Повседневный мир, видимый человеческими глазами, не обладает квантовыми свойствами. Ученые могут убедить некоторые крошечные объекты проявить квантовые свойства (SN: 25.04.18). Но ученые не до конца понимают границу между квантовым и неквантовым мирами.

«На самом деле мы только начали понимать этот промежуточный режим», — говорит Бенджамин Сассман из Университета Оттавы, который не участвовал в новом исследовании. «Очень интересно наблюдать, как эти квантовые системы масштабируются и как они себя ведут».

Кошачьи состояния — это особая разновидность квантового поведения, которая очень близка к воссозданию идеи Шрёдингера. Они представляют собой суперпозиции двух состояний, которые различаются в соответствии с классической физикой, описывающей повседневный мир (например, живой или мертвый кот), а не двух состояний, которые существуют только в квантовой области, таких как энергетические уровни атома.

В новом эксперименте исследователи покачивали часть кристалла сапфира таким образом, что его атомы двигались одновременно в двух направлениях. По словам Чу, это различие «передаёт дух» кота Шрёдингера.

Покачивание ограничивалось полоской кристалла, состоящей из 100 миллионов миллиардов атомов. По словам Чу, он настолько велик, что, если его извлечь из остальной части кристалла, его можно будет увидеть невооруженным глазом.

Тем не менее, колебания атомов были крошечными, около миллионной миллиардной доли миллиметра — не совсем в масштабе повседневных объектов. Другие демонстрации кошачьих состояний продемонстрировали гораздо большее пространственное разделение, несмотря на то, что они состоят из меньшего количества атомов.

Сассман говорит, что в будущей работе он хотел бы, чтобы исследователи увеличили не только массу, но и размер колебаний. «Это будет очень сложно, но будет очень интересно».

Вопросы или комментарии к этой статье? Пишите нам по адресу [email protected] | Перепечатки: часто задаваемые вопросы

Версия этой статьи опубликована в выпуске журнала Science News от 3 июня 2023 года.

М. Билд и др. Кот Шредингера утверждает механический осциллятор массой 16 микрограмм. Наука. Том. 380, 21 апреля 2023 г., с. 274. дои: 10.1126/science.adf7553.

Писательница-физик Эмили Коновер имеет докторскую степень. по физике из Чикагского университета. Она является двукратным лауреатом премии Ассоциации научных писателей округа Колумбия.

Наша миссия — предоставлять общественности точные и интересные новости науки. Эта миссия никогда не была более важной, чем сегодня.