Физики установили новый квантовый рекорд с самым тяжелым «котом Шрёдингера»
Крошечный вибрирующий кристалл, весящий немногим больше песчинки, стал самым тяжелым объектом, когда-либо зарегистрированным в суперпозиции местоположений.
Физики из Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе установили связь механический резонатор в сверхпроводящую схему, обычно используемую в квантовых вычислениях для эффективного воспроизведения знаменитого мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера в беспрецедентном масштабе. все — могут существовать в туманном состоянии реальности.
Состояния суперпозиции не имеют эквивалента в нашем повседневном опыте. Наблюдайте за падением футбольного мяча, и вы сможете отслеживать скорость его падения с помощью секундомера. Его конечное положение покоя ясно как день, и даже то, как оно вращается в полете, очевидно.
Если вы закроете глаза, когда оно падает, нет причин думать, что эти состояния местоположения или поведения могут быть чем-то другой. Однако в квантовой физике такие характеристики, как положение, вращение и импульс, не имеют никакого значения, пока вы не увидите мяч, покоящийся на земле.
Наряду с другим тяжеловесом теоретической физики, Альбертом Эйнштейном, Шредингер не особо увлекался интерпретациями экспериментов, которые предполагали, что частицы не обладают точными свойствами, пока наблюдение не дало им их.
Чтобы показать, насколько абсурдна вся эта идея, лауреат Нобелевской премии австриец описал сценарий. где ненаблюдаемое положение частицы было связано с жизнью ненаблюдаемой кошки.
Представьте, если хотите, частицу, случайным образом вылетевшую из распадающегося атома, ударившую по счетчику Гейгера, в результате чего пузырек с ядом разбился, мгновенно убить кошку. Поскольку все это происходит внутри коробки, события и их время остаются незамеченными.
Исходя из того, что известно как Копенгагенская интерпретация квантовой физики, невидимая система существует в состоянии всех возможностей, пока не будет достигнуто ее конечное состояние. наблюдаемый. Частица одновременно излучается и не излучается. Счетчик Гейгера активирован и не активирован. Флакон с ядом разбивается и не разбивается. А кот одновременно и жив, и мертв.
Это смертельное пятно практически невозможно изобразить, но его легко представить в волнообразном уравнении, разработанном самим Шредингером.
Почти столетие спустя , кот Шрёдингера уже не шутка. Его наблюдали не только в мельчайших частицах, но и в целых молекулах (не говоря уже о кластерах из тысяч атомов). Мы можем манипулировать коробкой, чтобы кошка никогда не умерла. Мы можем даже повозиться с установкой, чтобы разобрать кошку. Фактически, целые технологии основаны на самих принципах объектов в состояниях суперпозиции.
Хотя настоящим кошкам никогда не угрожал квантовый эксперимент — из-за этики, — теория остается ясной. Такие большие объекты, как кошки или даже люди, слоны или даже динозавры, могут существовать в состояниях суперпозиции точно так же, как электроны, кварки и фотоны.
Математика оставляет мало места для сомнений, однако наблюдать за последствиями такого размытого существования в больших масштабах — это совсем другая история.
На атомном уровне можно увидеть мазок нереализованных судеб, используя довольно примитивное оборудование. По мере того, как свойства объектов растут, следы суперпозиции становится все труднее обнаружить экспериментально.
В этом последнем эксперименте высокообертонный объемный резонатор акустических волн, или HBAR, служил 16,2 микрограммовым котом. Недостаток усов и рыбьего дыхания компенсировался тем, что он мог жужжать в коротком диапазоне частот, питаясь от тока.
«Поместив два состояния колебаний кристалла в суперпозиции, мы фактически создали кота Шредингера весом 16 микрограммов», — говорит старший автор и физик ETH Zurich Йивэнь Чу.
Для роли радиоактивного атома, счетчика Гейгера и яда команда использовала трансмон , сверхпроводящая цепь, которая служила в эксперименте источником питания, датчиком и суперпозицией.
Объединение этих двух компонентов позволило исследователям привести HBAR в движение, так что его колебания дрожали в двух фазах одновременно. которые передавались обратно в трансмон.
Насколько масштабными могут быть будущие эксперименты, остается открытым вопросом. С практической точки зрения расширение границ масштаба суперпозиции может привести к новым методам повышения надежности квантовых технологий или стать основой для еще более чувствительных инструментов для изучения материи и космоса.
Фундаментально, существует остаются вопросы о том, что означает для материи вообще быть в суперпозиции. Несмотря на десятилетия прогресса в уточнении квантовой механики, до сих пор нет ясности в том, почему открытие коробки должно иметь какое-либо значение для судьбы кота Шрёдингера.
Что значит превратить возможное в реальность остается такой же загадкой в физике элементарных частиц, как когда Шредингер придумал свою нелепую идею о кошке, которой не должно быть.
Это исследование было опубликовано в Science.
