Самый тяжелый в мире «кот Шредингера» раздвигает квантовые границы
Знаменитый мысленный эксперимент с котом Шредингера описывает сложное квантовое явление, подчеркивая, насколько причудлив этот невидимый мир, выражая его в терминах, которые мы можем визуализировать. Теперь ученые создали самого тяжелого кота Шредингера на сегодняшний день, исследуя границы между квантовой и классической физикой.
Частицы в квантовом масштабе могут вести себя так, как нам кажется невозможным в соответствии с нашим повседневным опытом. Например, для частиц совершенно нормально существовать в суперпозиции двух состояний одновременно или даже находиться в нескольких местах одновременно — ни то, ни другое, на макроуровне невозможно.
Но где именно проходит грань, разделяющая области квантовой и классической физики?
Возьмите Кота Шредингера. В теоретическом сценарии кот запечатан в коробке со счетчиком Гейгера, молотком, колбой с ядом и радиоактивным источником.
Если атом в радиоактивном источнике распадается, счетчик Гейгера обнаруживает это и роняет молоток, который разбивает колбу, высвобождает яд и убивает кота.
Однако согласно квантовой физике радиоактивный атом может существовать в суперпозиции двух состояний. Но в более широком смысле эта суперпозиция должна распространяться и на всю систему, так что кот одновременно и жив, и мертв. Только когда наблюдатель открывает коробку и заглядывает внутрь, суперпозиция схлопывается в одно или другое состояние.
Знаменитый эксперимент с котом был впервые придуман в 1935 году физиком-теоретиком Эрвином Шредингером, первоначально для того, чтобы подчеркнуть то, что он считал нелепостью квантовой механики, но в конечном итоге стал почти краеугольным вопросом: в какой момент квантовая суперпозиция заканчивается и реальность «выбирает» одну возможность или другую?
Чтобы помочь найти ответ, ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха создали самого тяжелого на сегодняшний день «кота Шредингера» — кристалл весом 16 микрограммов, что примерно равно весу мелкой песчинки (1017 атомов).
Очевидно, что он все еще намного меньше обычного кота, но в несколько миллиардов раз тяжелее атома или молекулы, которые ранее использовались в подобных экспериментах.
Конечно, вопрос здесь не в том, жив кристалл или мертв, а в том, колеблется ли он «вверх» или «вниз». Как и у кота, состояние кристалла связано с квантовым триггером — в данном случае это сверхпроводящая цепь, генерирующая электрическое поле, которое взаимодействует с другим электрическим полем, создаваемым колебаниями кристалла на материале между ними.
«Конечно, в лаборатории мы не можем провести такой эксперимент с настоящим котом весом в несколько килограммов», — говорит Ивэнь Чу. Вместо этого ученым удалось создать так называемое состояние кота, используя колеблющийся кристалл, который представляет собой кота, со сверхпроводящей схемой, представляющей исходный атом. Эта схема, по сути, представляет собой квантовый бит или кубит, который может принимать логические состояния «0» или «1» или суперпозицию обоих состояний «0+1». Связующим звеном между кубитом и кристаллическим «котом» является не счетчик Гейгера и яд, а слой пьезоэлектрического материала, который создает электрическое поле, когда кристалл меняет форму при колебаниях. Это электрическое поле может быть связано с электрическим полем кубита.
Ученые смогли измерить колебания кристалла и обнаружили, что они находятся в суперпозиции обоих состояний. Это максимально приближает область квантовой физики к макромасштабу, что может помочь ученым лучше понять, где проходит грань.
«Эксперимент интересен, потому что позволит нам лучше понять причину исчезновения квантовых эффектов в макроскопическом мире настоящих котов», — сказал Ивэнь Чу, ведущий автор исследования.
Кроме того, ученые говорят, что кристаллы могли бы стать частью более надежных квантовых компьютеров или потенциально будущими детекторами темной материи и гравитационных волн.
Исследование было опубликовано в журнале Science.