Ученые до сих пор пытаются понять, где проходит грань между странным (квантовым) поведением частиц и привычной нам классической реальностью. Согласно теории, ограничений на размер квантового объекта нет, но на практике крупные тела мгновенно теряют свои необычные свойства из-за взаимодействия с окружением.
Физики показали, что объект размером с вирус подчиняется законам квантовой механики
Физики из Венского университета совершили прорыв в изучении границ микромира, создав рекордно большую суперпозицию. Исследователи успешно перевели в квантовое состояние кластеры из 7000 атомов натрия, которые вели себя подобно волнам. Этот эксперимент доказывает, что законы квантовой механики сохраняют силу даже для объектов, сопоставимых по массе с небольшими вирусами.
Многомасштабный эксперимент по изучению интерференции кластеров (MUSCLE) в Венском университете, в ходе которого была обнаружена квантовая интерференция массивных наночастиц. S. Pedalino / Uni Wien
«Рекордность» этого опыта оценивается по всей шкале «макроскопичности». Она учитывает не только чистую массу, но и время жизни состояния, и расстояние, на которое «разлетаются» частицы. Например, в других тестах физики приводили в суперпозицию кристалл весом 16 микрограмм, что гораздо тяжелее вируса. Но этот кристалл смещался на ничтожное расстояние, сопоставимое с размером атомного ядра. В новом эксперименте объект размером с белок реально находился в двух разных местах одновременно на расстоянии в 133 нанометра.
Иллюстрация классического «эксперимента с двойной щелью», демонстрирующего волновую природу электрона.
В ходе нового эксперимента пучок из металлических кластеров диаметром около 8 нанометров пропускали через лазерную решетку. Вместо того чтобы двигаться как твердые бильярдные шары, частицы распределялись по нескольким путям одновременно, образуя интерференционную картину. Это подтвердило, что массивный объект может находиться в состоянии «размытого» присутствия сразу в нескольких точках пространства. Работа опубликована в журнале Nature.
Достигнутый результат важен не только для фундаментальной науки, но и для развития технологий будущего. Для создания мощных квантовых компьютеров потребуется удерживать в контролируемом состоянии миллионы частиц. Если природа накладывает жесткий предел на масштаб суперпозиции, это может стать препятствием для вычислительной техники. Но успех венской группы показывает, что барьер сложности отодвигается все дальше. Как отмечает соавтор работы Себастьян Педалино: «Единственный способ ответить на вопрос о границах — это масштабирование квантовых экспериментов».
Биологический рубеж
Обзор эксперимента.
Наблюдение подобных эффектов требует невероятной точности, ведь любое внешнее воздействие, будь то молекула газа или свет, разрушает хрупкое состояние. Исследователи потратили тысячи часов в лаборатории, прежде чем смогли поймать четкий сигнал среди шума. Теперь физики ставят перед собой еще более амбициозную цель — отправить в полет через интерферометр живую материю. Некоторые вирусы по размеру схожи с уже протестированными кластерами натрия, хотя они гораздо более хрупки и могут разрушиться во время движения.
Если ученым удастся перевести в состояние суперпозиции вирус, это станет воплощением знаменитого парадокса кота Шредингера на биологическом уровне. В неопределенном состоянии окажется сложная органическая структура. Хотя вирус не считается полностью живым организмом, такой опыт переведет квантовую интерференцию в принципиально новый режим. Исследователи уверены, что благодаря современным вакуумным установкам и лазерным технологиям реализация этой идеи не является невозможной фантастикой.