Физики создали самого массивного «кота Шредингера» из ультрахолодных атомов

Исследовательская группа под руководством Бина Яна из Южного университета науки и технологий, работающая совместно с Центром квантовой науки Большого залива Гуандун-Гонконг-Макао, обнаружила способ создания массивных «котов Шредингера» — квантовых состояний, где система существует в двух противоположных формах одновременно, с использованием ультрахолодных атомов. Ученым удалось преодолеть фундаментальное ограничение, согласно которому квантовое туннелирование практически исчезает для тяжелых объектов, и продемонстрировать этот эффект для кластеров, содержащих множество атомов. Результаты этого эксперимента были опубликованы в научном журнале Nature Physics.

Квантовая механика часто пугает своей парадоксальностью, и самый известный мысленный эксперимент в ней — это кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв, пока мы не заглянем в ящик. Долгое время такие странные состояния суперпозиции оставались уделом единичных частиц, таких как электроны или фотоны.

Однако физики задались вопросом: можно ли заставить «квантово себя вести» нечто гораздо более крупное, состоящее из сотен атомов? Основная проблема здесь это масса. Согласно классическим правилам, способность частицы просачиваться сквозь энергетические барьеры (эффект туннелирования) катастрофически быстро падает с ростом массы.

Однако ученые нашли элегантный обходной путь. Для этого они использовали ультрахолодные атомы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю. При таком охлаждении атомные волны сильно растягиваются, и квантовые эффекты становятся заметнее.

Однако просто взять много атомов нельзя, они бы сразу «слиплись» и потеряли квантовую «расплывчатость». Поэтому исследователи создали оптические решетки, искусственные ловушки из лазерных лучей, где атомы удерживались вместе достаточно слабыми связями, гораздо более хрупкими, чем стенки самой ловушки.

Ключевым изобретением стала настройка так называемых туннельных процессов высокого порядка, вплоть до седьмого. Представьте, что атому нужно не просто перепрыгнуть через высокий забор, а сделать это через серию хитрых перегруппировок с соседями. Ученые смогли подобрать условия так, что целый кластер атомов туннелировал через барьер с той же эффективностью, что и одинокий атом.

Это полностью противоречит интуиции «чем тяжелее, тем сложнее». В результате им удалось создать крайне массивные состояния «кота Шредингера», где система одновременно находилась в двух пространственно разделенных положениях.

В конечном счете команде удалось не только создать макроскопическую квантовую суперпозицию, но и открыть дорогу к технологиям будущего. Такие массивные «коты» позволяют преодолеть стандартный квантовый предел точности измерений, выходя на гейзенберговский предел, максимально достижимую чувствительность. Это сулит создание сверхточных датчиков гравитации и инерциальных навигационных систем.

А самое захватывающее впереди: ученые надеются масштабировать метод до систем из сотен и даже ста тысяч атомов, что позволит напрямую изучать, где проходит граница между квантовым миром с его удивительными парадоксами и привычной нам классической физикой.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях