Самый тяжелый кот Шредингера был получен путем помещения маленького кристалла в суперпозицию двух состояний колебаний.

Даже если вы не квантовый физик, вы, вероятно, слышали о знаменитом коте Шредингера. Эрвин Шредингер придумал кошек, которые могли быть и живыми, и мертвыми одновременно в ходе мысленного эксперимента в 1935 году. Кажущееся противоречие — ведь в повседневной жизни мы видим только кошек либо живыми, либо мертвыми — побудило ученых попробовать чтобы разобраться в ситуациях Аналогично в пробирке. До сих пор они могли делать это, используя, например, атомы или молекулы в состояниях квантово-механической суперпозиции, находясь в двух местах одновременно.

В ETH группа исследователей под руководством Йивэня Чу, профессора Лаборатории физики твердого тела, создала значительно более тяжелого кота Шредингера, поместив небольшой кристалл в суперпозицию двух состояний колебаний. Результаты были опубликованы на этой неделе в журнале наукможет привести к созданию более мощных кубитов и пролить свет на тайну того, почему квантовые суперпозиции не наблюдаются в макроскопическом мире.

кот в коробке

В оригинальном мысленном эксперименте Шредингера кошка заперта в металлическом ящике с радиоактивным материалом, счетчиком Гейгера и флаконом с ядом. В заданный период времени — например, в час — атом в веществе может распасться или не распасться в результате квантово-механического процесса с определенной вероятностью, а продукты распада могут вызвать взрыв счетчика Гейгера и запуск механизма, который разбивает пузырек, содержащий яд, который в конечном итоге убьет кошку.

Поскольку сторонний наблюдатель не может знать, действительно ли распался атом, он также не знает, жив кот или мертв — согласно квантовой механике, управляющей распадом атома, он должен находиться в суперпозиции живого/мертвого. (Идея Шредингера увековечена фигурой кошки в натуральную величину возле его бывшего дома на Хуттенштрассе 9 в Цюрихе.)

«Конечно, в лаборатории мы не можем провести такой эксперимент с настоящей кошкой, которая весит несколько килограммов», — говорит Чжоу. Вместо этого ей и ее коллегам удалось создать так называемое состояние кошки, используя колеблющийся кристалл, представляющий кошку, со сверхпроводящей схемой, представляющей исходный атом. Эта схема по существу представляет собой кубит 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 скорее слой пьезоэлектрического материала, который создает электрическое поле, когда кристалл меняет форму при колебаниях. Это электрическое поле может быть связано с электрическим полем кубита, и, таким образом, состояние суперпозиции кубита может быть передано кристаллу.

Одновременные колебания в противоположных направлениях

В результате кристалл теперь может качаться в двух направлениях одновременно — вверх/вниз и вниз/вверх, например. Эти два направления представляют «живое» или «мертвое» состояние кошки. «Наложив два состояния колебаний в кристалле, мы фактически создали 16-микрограммового кота Шредингера», — объясняет Чжоу. Это примерно масса мелкой песчинки и далеко не такая массивная, как кошка, но она все же в миллиарды раз тяжелее атома или молекулы, что делает ее самой толстой квантовой кошкой.

Чтобы колебания были истинными кошачьими состояниями, важно, чтобы их можно было различить невооруженным глазом. Это означает, что расстояние между состояниями «вверх» и «вниз» должно быть больше, чем любые тепловые или количественные флуктуации положений атомов внутри кристалла. Чжоу и его коллеги исследовали это, измерив пространственное разделение двух состояний с помощью сверхпроводящего кубита. Хотя измеренное расстояние составляло всего одну миллиардную часть миллиардной метра — фактически меньше атома, — оно было достаточно большим, чтобы четко различать состояния.

Измеряйте небольшие нарушения с помощью случаев кошек

В будущем Чу хотел бы еще больше расширить пределы блоков своих хрустальных кошек. «Это интересно, потому что позволит нам лучше понять, почему квантовые эффекты исчезают в макроскопическом мире настоящих кошек», — говорит она.

В дополнение к этому академическому интересу есть также потенциальные приложения в квантовых технологиях. Например, квантовую информацию, хранящуюся в кубитах, можно сделать более надежной, если использовать кошачьи состояния, состоящие из большого количества атомов в кристалле, а не полагаться на отдельные атомы или ионы, как это практикуется в настоящее время. Кроме того, чрезвычайная чувствительность массивных объектов в состояниях суперпозиции к внешнему шуму может быть использована для точных измерений небольших возмущений, таких как гравитационные волны, или для обнаружения темной материи.