Квантовая суперпозиция достигла нового масштаба в системе из семи атомов
Ученые из Южного университета науки и технологий Китая и Квантового научного центра Большого залива Гуандун — Гонконг — Макао сообщили о создании одного из крупнейших когда-либо наблюдавшихся состояний «кота Шрёдингера». Эксперимент позволил вывести квантовые эффекты за пределы привычного микромира и продемонстрировать суперпозицию для системы, состоящей сразу из семи атомов, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю.
В квантовой механике частицы способны находиться в состоянии суперпозиции, когда их характеристики остаются неопределенными до момента измерения. Наиболее известной иллюстрацией этого принципа считается мысленный эксперимент с котом Шрёдингера, согласно которому невозможно узнать состояние животного внутри закрытой коробки, пока она не будет открыта. Хотя подобные явления обычно наблюдаются только на уровне отдельных атомов и элементарных частиц, новая работа показывает, что квантовая неопределенность может проявляться и в значительно более крупных системах.
В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи описали создание кластера из семи атомов, который при прохождении через энергетический барьер, превышающий его собственную кинетическую энергию, переходил в состояние квантовой суперпозиции беспрецедентного масштаба. Это стало возможным благодаря использованию явления квантового туннелирования.
Согласно законам классической физики, частица не может преодолеть барьер, если ей не хватает энергии. Однако в квантовом мире существует вероятность того, что частица все же окажется по другую сторону препятствия. Это явление называется квантовым туннелированием. Обычно вероятность такого перехода резко уменьшается по мере увеличения массы объекта, поэтому туннелирование чаще всего наблюдается у отдельных атомов или субатомных частиц.
Исследователи поставили перед собой задачу выяснить, можно ли заставить проходить через квантовый туннель значительно более крупные объекты. Вместо работы с одним атомом они попытались переместить через барьер сразу несколько связанных между собой атомов. Для этого была создана специальная система на основе оптической решетки, в которой атомы охлаждались почти до абсолютного нуля и удерживались лазерными лучами. Подобные экстремально низкие температуры широко используются в квантовых технологиях, включая квантовые компьютеры, поскольку позволяют максимально проявиться квантовым свойствам вещества.
Дополнительная масса системы существенно усложняет процесс туннелирования и снижает его эффективность. Тем не менее успешное создание суперпозиции для столь крупного объекта может иметь важное значение для фундаментальной физики. В частности, результаты исследования могут помочь ученым лучше понять пока еще слабо изученную связь между квантовой механикой и гравитацией.
Ключевым фактором успеха стало использование сравнительно слабых связей между атомами. В отличие от традиционных подходов с более жесткими связями, такая конфигурация позволила добиться туннельных свойств, близких к характеристикам одиночного атома, несмотря на то что система состояла из нескольких частиц.
Авторы отмечают, что разработанный ими метод обладает высокой масштабируемостью. Теоретические расчеты показывают, что аналогичный подход может быть применен уже к системам примерно из 100 атомов. После дополнительной проверки результатов ученые рассчитывают перейти к созданию и регистрации еще более крупных пространственных квантовых суперпозиций.
По мнению исследователей, новая технология может открыть путь к изучению квантовых эффектов на значительно больших масштабах, а также способствовать развитию высокоточных квантовых датчиков и измерительных устройств. Особенно перспективным направлением считается атомная интерферометрия — метод измерения движения, времени, гравитации и других параметров, основанный на волновой природе атомов. Новый подход способен повысить чувствительность таких систем и вывести их за пределы традиционных квантовых ограничений.
Разработка может оказаться особенно полезной для изучения крайне слабого взаимодействия между массой и гравитацией, которое трудно регистрировать на очень малых масштабах. Кроме того, в ходе эксперимента ученым удалось наблюдать необычные квантовые явления, включая долгоживущие сильно взаимодействующие состояния и многочастичные взаимодействия. Эти эффекты планируется подробно исследовать в дальнейших работах.
В будущем команда намерена не только продолжить изучение обнаруженных квантовых феноменов, но и превзойти нынешний теоретический предел в 100 атомов. Конечной целью исследователей является создание состояний суперпозиции для систем, включающих уже несколько сотен атомов.
Исследование в журнале Nature Physics.