Удивительным образом один из самых известных мысленных экспериментов в квантовой физике был изменен. Исследователи из Университета Инсбрука (Австрия) продемонстрировали, что квантовые состояния — те хрупкие, странные состояния, когда частицы могут существовать в двух противоположных состояниях одновременно — могут выживать и даже процветать в более теплой среде, чем считалось ранее.
Исследование, недавно в журнале Science Advances, показывает, что «горячие» состояния кота Шрёдингера могут быть созданы в сверхпроводящих микроволновых резонаторах — крошечных устройствах, которые улавливают и отражают микроволны. Поскольку они изготовлены из сверхпроводящих материалов (которые не имеют электрического сопротивления в холодном состоянии), они могут точно удерживать и контролировать энергию, что делает их идеальными для изучения тонких физических эффектов.
Это ключевой шаг к тому, чтобы сделать квантовые технологии более надежными в реальных условиях, когда устройства не могут достичь низких температур, обычно необходимых для физических процессов.
«Наша работа показывает, что квантовые явления можно наблюдать и использовать даже в менее идеальных, более теплых условиях», — заявил в недавнем заявлении ведущий исследователь Герхард Кирхмайр из Университета Инсбрука и Австрийской академии наук. «Если мы можем создать необходимые взаимодействия в системе, то температура в конечном итоге не имеет значения».
Состояние квантового кота Шрёдингера
Если вы когда-нибудь слышали фразу «кот Шрёдингера», то сталкивались с одной из самых парадоксальных концепций квантовой физики. В оригинальном мысленном эксперименте физик Эрвин Шрёдингер представил кота, запертого в ящике с устройством, которое с вероятностью 50/50 может убить его в зависимости от распада радиоактивного атома. Пока ящик закрыт, кот одновременно и жив, и мёртв — существует в суперпозиции состояний.
С тех пор физики воссоздали аналоги этого сценария, но не с реальным котом, а с частицами, атомами и даже электромагнитными резонаторами. Эти так называемые состояния кота Шрёдингера являются отличительной чертой квантовой механики, показывая, каким странным образом квантовые объекты могут одновременно существовать в нескольких реальностях.
Однако эти эффекты обычно можно наблюдать только в очень холодных и тщательно контролируемых условиях. Это связано с тем, что тепло обычно является врагом квантовой когерентности — оно вносит шум, который может разрушить эти тонкие суперпозиции в процессе, известном как декогеренция.
Нагрев квантового мира
В новом исследовании ученые бросили вызов общепринятому мнению, задав смелый вопрос: Что, если бы кот Шрёдингера был не холодным и неподвижным, а теплым и живым?
«Шрёдингер тоже предполагал в своём эксперименте живого, то есть "горячего" кота», — пояснил Кирхмайр. «Мы хотели выяснить, можно ли получить эти квантовые эффекты, если исходить не из "холодного" основного состояния».
Чтобы выяснить это, команда использовала особое квантовое состояние, называемое трансмонным кубитом, внутри микроволнового резонатора — устройства, широко используемого в квантовых компьютерах. Обычно подобные эксперименты начинаются с охлаждения системы почти до абсолютного нуля, переводя ее в «основное состояние» - самое низкое из возможных энергетических состояний. Но в этот раз исследователи позволили системе нагреться до 1,8 Кельвина (около -271,35 °C), что в шестьдесят раз превышает обычную рабочую температуру резонатора.
«Многие наши коллеги были удивлены, когда мы впервые рассказали им о наших результатах, потому что обычно мы думаем о температуре как о чем-то, что разрушает квантовые эффекты», — сказал Томас Агрениус, исследователь, который помог разработать теорию, лежащую в основе работы. «Наши измерения подтверждают, что квантовая интерференция может сохраняться даже при высокой температуре».
Команда смогла создать состояния кота Шрёдингера из этих высокоэнергетических, термически возбуждённых условий, используя специально адаптированные экспериментальные протоколы.
«Оказалось, что адаптированные протоколы работают и при более высоких температурах, создавая чёткие квантовые интерференции», — отметил Ориол Ромеро-Исарт, ныне директор Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне. «Это открывает новые возможности для создания и использования квантовых суперпозиций».
Создание более устойчивых квантовых систем
Эти открытия могут иметь огромное значение для будущего квантовых вычислений и сенсорных технологий. Одна из главных проблем, с которой сегодня сталкиваются инженеры в области квантовых технологий, — как изолировать квантовые системы от тепла и шума в реальных условиях. Если квантовые состояния способны не только выживать, но и формироваться в более тёплых средах, это может упростить, удешевить и масштабировать создание квантовых устройств.
«Наши результаты показывают, что можно генерировать сильно смешанные квантовые состояния с выраженными квантовыми свойствами», — пояснил Ян Ян, экспериментатор, стоявший за большей частью работы.
Исследование также может помочь в разработке таких устройств, как наномеханические осцилляторы, которые крайне сложно охлаждать до основного состояния. Методы команды демонстрируют, что даже если система изначально находится в «горячем» состоянии, это не исключает возможности достижения квантовых суперпозиций.
«Это открывает новые перспективы», — сказал Ромеро-Исарт. «Например, для систем, в которых достижение холодного основного состояния технически сложно».