Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха изготовили механический резонатор, в котором все атомы находятся в суперпозиции двух противофазных колебаний (состоянии «кота Шредингера»). Результаты эксперимента помогут создать более надежные кубиты и пролить свет на тайну того, почему квантовые суперпозиции не наблюдаются в макроскопическом мире.
Для объяснения квантовой механики австрийский физик Эрвин Шредингер придумал мысленный эксперимент. Он поместил кота в запертый металлический ящик с радиоактивным веществом, счетчиком Гейгера и колбой с синильной кислотой. В определенный период времени атом вещества с определенной вероятностью может распасться. Это активирует счетчик Гейгера и запускает механизм, который разбивает колбу с ядом. В результате кот умирает.
Поскольку сторонний наблюдатель не знает, распался ли атом, он также не знает, жив кот или мертв. Согласно квантовой механике в этот момент кот должен находиться в состоянии суперпозиции: он одновременно и жив, и мертв. До сих пор ученые имитировали этот эксперимент на микроуровне: они использовали атомы или молекулы в состояниях квантово-механической суперпозиции.
В своем исследовании швейцарские физики создали систему, в которой в роли кота выступают колебания в кристалле, а в роли капсулы с ядом слой сверхпроводящего пьезоэлектрического материала. Он создает электрическое поле, когда кристалл меняет форму при колебаниях. В такой системе суперпозиция кубита может быть передана кристаллу, в результате чего в нем наблюдаются колебания в двух направлениях одновременно.
Чтобы колебательные состояния соответствовали «коту Шредингера», важно, чтобы они были макроскопически различимы, объясняют ученые. Это означает, что расстояние между состояниями «вверх» и «вниз» должно быть больше, чем любые тепловые или квантовые флуктуации атомов внутри кристалла.
Исследователи измерили пространственное разделение двух состояний с помощью сверхпроводящего кубита. Оно оказалось достаточно большим, чтобы четко различать состояния. «Поместив два состояния колебаний кристалла в суперпозицию, мы фактически создали кота Шредингера весом 16 мкг», — говорит Ивен Чу, профессор Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
Исследователи отмечают, что результаты эксперимента имеют не только теоретическое, но и практическое значение. Например, квантовую информацию, хранящуюся в кубитах, можно сделать более надежной, если использовать состояния «кота Шредингера», состоящие из огромного количества атомов в кристалле, а не полагаться на отдельные атомы или ионы, как это делается в настоящее время. Кроме того, чувствительность массивных объектов в состояниях суперпозиции к внешнему шуму можно использовать для точных измерений крошечных возмущений — гравитационных волн или частиц темной материи.
Читать далее:
Новый солнечный элемент бьет мировой рекорд эффективности
Выяснилось, что происходит с документами Леонардо да Винчи: они начали меняться
Послушайте, как звучит солнечная плазма, которая обрушивается на Землю
На обложке: художественная иллюстрация кота Шредингера. Изображение: Yiwen Chu, ETH Zurich