Физики создали величайшее

Jan 15, 2024

Физики поместили самый большой объект в истории в квантовую суперпозицию

Кристалл сапфира весом 16 микрограмм — самый крупный объект, когда-либо существовавший в квантово-механической суперпозиции двух колебательных состояний. Исследователи из группы гибридных квантовых систем Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich) вызвали в кристалле такие вибрации, что его атомы колебались взад и вперед одновременно и в двух противоположных направлениях, что привело весь кристалл в состояние, известное как состояние квантовой суперпозиции.

Как сообщает исследовательская группа в журнале Science, это состояние очень похоже на состояние кошки в знаменитом мысленном эксперименте физика Эрвина Шрёдингера. В квантово-механическом сценарии Шредингера кошка одновременно жива и мертва, в зависимости от распада атома, высвобождающего пузырек с ядом. Кристалл сапфира в новом эксперименте был помещен в макроскопический эквивалент этого «состояния кошки». Такие состояния могут помочь ученым понять, как и почему законы квантового мира переходят в правила классической физики для более крупных объектов.

[Подробнее об экспериментах в физике с «кошачьим состоянием»]

Чтобы заставить сапфир, состоящий примерно из 1017 атомов, вести себя как квантово-механический объект, исследовательская группа заставила его колебаться и подключила к сверхпроводящей цепи. (В терминах первоначального мысленного эксперимента сапфир был кошкой, а сверхпроводящая цепь — распадающимся атомом.) Схема использовалась как кубит, или бит квантовой информации, который одновременно находится в состояниях «0» и «0». 1." Суперпозиция схемы затем была перенесена на колебания кристалла. Таким образом, атомы в кристалле могли двигаться одновременно в двух направлениях — например, вверх и вниз — точно так же, как кот Шредингера одновременно жив и мертв.

Важно отметить, что расстояние между этими двумя состояниями (живым и мертвым или вверху и внизу) должно было быть больше, чем расстояние, приписываемое принципу квантовой неопределенности, что подтвердили ученые ETH Zurich. Используя сверхпроводящий кубит, исследователям удалось определить расстояние между двумя колебательными состояниями кристалла. Его размер составляет примерно две миллиардные доли нанометра, он крошечный, но все же достаточно большой, чтобы без сомнения отличить эти два состояния друг от друга.

Эти открытия «расширили границы того, что можно считать квантово-механическим в реальном лабораторном эксперименте», — говорит Шломи Котлер, физик, изучающий квантово-механические схемы в Еврейском университете в Иерусалиме. Котлер не участвовал в исследовании.

Для квантово-механических объектов, существующих на уровне атомов и субатомных частиц, такие суперпозиции классически несовместимых состояний являются обычным явлением. С другой стороны, макроскопические объекты, состоящие из очень многих атомов, обычно подчиняются классической механике: они не могут одновременно принимать два противоречивых состояния. Как кошка не может быть одновременно живой и мертвой, так и кристалл не может одновременно вибрировать вверх и вниз. Однако большая загадка заключается в том, почему обычно этого не происходит. В конце концов, каким бы большим ни был объект, он состоит из атомов и субатомных частиц, подчиняющихся правилам квантовой физики.

Котлер отмечает, что обнаружение более крупных состояний кошки — это способ «расширить пределы» наблюдаемых квантово-механических объектов — в данном случае путем демонстрации того, что в этом состоянии может существовать нечто такое же массивное, как 16 микрограммов. (Хотя, чтобы внести ясность, 16 микрограммов все еще микроскопичны.)

Есть несколько возможных объяснений того, почему более крупные объекты не подчиняются квантовой механике. Например, по мере увеличения числа атомов, возможно, все больше и больше влияний вызывают распад квантовомеханических состояний. Другая возможность состоит в том, что гравитация играет роль. Есть надежда, что еще более крупные кошачьи государства смогут помочь в конечном итоге решить загадку кота Шредингера.

Действительно, Маттео Фадель из ETH Zurich, который руководил исследованием вместе с Мариусом Билдом и Ю Янгом, надеется использовать успех команды в области сапфира и сверхпроводника, чтобы проверить некоторые из этих возможностей. «Я заинтересован в изучении потенциала наших устройств для исследования фундаментальной физики, включая феноменологию низкоэнергетической квантовой гравитации», — говорит Фадель.