Физики побили рекорд по крупномасштабной квантовой суперпозиции

Мир квантовой механики, где частицы могут находиться в двух местах одновременно или переплетаться друг с другом на огромных расстояниях, звучит странно для нас, живущих в макроскопическом мире классической физики. Но где именно проходит граница между двумя мирами до сих пор остается загадкой.

Теперь физики определили границу четче, чем когда-либо прежде, с новым экспериментом, показывающим, что массивные молекулы, содержащие до 2000 атомов, могут существовать одновременно в двух местах.

Открытие было сделано с использованием усовершенствованной версии эксперимента, который проводился бесчисленное количество раз за последние 200 лет — эксперимент с двумя щелями (опыт Юнга). Именно благодаря этому эксперименту ученые пришли к пониманию двойственности света как частиц и волн.

Эксперимент звучит довольно просто. Свет направляется к поверхности, в которую врезаны две щели, и к другой поверхности, за которой свет проецируется. Если бы свет состоял только из обычных частиц, то рисунок на задней поверхности мог бы просто появиться в форме и размере щелей. Но волны света отражаются друг от друга, словно рябь в воде, создавая на поверхности некую полосу чередующихся узоров.

Но самое странное, что даже когда эксперимент проводится с отдельными фотонами (частицами света), появляется тот же полосатый рисунок. Каким-то образом эти фотоны, кажется, не идут только одним путем, как они можно было ожидать, но проходят через все пути сразу.

Это явление известно как квантовая суперпозиция, и наиболее ярко оно иллюстрируется знаменитым котом Шредингера. В этом мысленном эксперименте кот, спрятанный в коробке, не является ни живым, ни мертвым, но существует как обе одновременно в двух состояниях. Когда коробка открыта, эта суперпозиция сворачивается в одно или другое состояние.

Но суперпозиция, по-видимому, применима только в квантовой сфере — когда объекты становятся больше, этому феномену становится все труднее проявлять себя, и к тому времени, когда вы достигаете макроскопического масштаба, кажется, что он полностью исчезает. Даже коту Шредингера нужна квантовая связь — часто рассказывается, что в коробке тоже есть радиоактивный атом, и выживание кота зависит от того, распадается атом или нет.

Так где же предел? Какой самый большой объект может быть в двух местах одновременно? Ученые из университетов Вены и Базеля теперь стали ближе к ответу после проведения эксперимента с самыми большими из протестированных молекул.

Предыдущая попытка включала молекулы, содержащие более 800 атомов, но физикам в последнем исследовании удалось расширить этот предел до 2000 атомов.

Было обнаружено, что эти молекулы существуют в состоянии квантовой суперпозиции и создают помехи друг другу, подобно ряби, до семи миллисекунд одновременно. Это продвигает границу микромира ближе к нашему макроскопическому миру, чем когда-либо прежде, стирая грань между квантовой и классической физикой.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.