Физики создали самого тяжелого кота Шрёдингера за всю историю

Знаменитый мысленный эксперимент с котом Шредингера четко описывает сложное квантовое явление, выражая его в терминах, которые мы можем визуализировать. Недавно ученые создали самого тяжелого кота Шредингера на сегодняшний день, исследуя границы между квантовой и классической физикой.
Физики создали самого тяжелого кота Шрёдингера за всю историю
Yiwen Chu/ETH Zurich

Частицы в квантовом масштабе могут вести себя таким образом, который кажется невозможным в соответствии с нашим повседневным опытом. Например, для частиц совершенно нормально существовать одновременно в суперпозиции двух состояний или даже находиться в нескольких местах одновременно, что невозможно на привычном нам макроуровне. Но где именно проходит грань, разделяющая области квантовой и классической физики?

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Взглянем на кота Шредингера. В теоретическом сценарии кошка запечатана в коробке со счетчиком Гейгера, молотком, колбой с ядом и источником радиации. Если атом в радиоактивном источнике распадается, счетчик Гейгера обнаруживает это и роняет молоток, который разбивает колбу, высвобождает яд и убивает кошку. Однако, согласно квантовой физике, радиоактивный атом может существовать в суперпозиции двух состояний. Но в более широком смысле эта суперпозиция должна распространяться и на всю систему, так что кошка одновременно и жива, и мертва. Только когда наблюдатель открывает коробку и заглядывает внутрь, суперпозиция схлопывается в одно или другое состояние.

Знаменитый кот-мученик впервые был придуман в 1935 году физиком-теоретиком Эрвином Шрёдингером, первоначально подчеркивания того, что он считал нелепостью квантовой механики, но в конечном итоге стало краеугольным ее вопросом: в какой момент квантовая суперпозиция заканчивается и реальность «выбирает» одну возможность или другие?

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Чтобы помочь найти ответ, ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха создали самого тяжелого на сегодняшний день «кота Шредингера» — кристалл весом 16 микрограммов, что примерно равно весу мелкой песчинки. Очевидно, что он все еще намного меньше кошки, но в несколько миллиардов раз тяжелее атома или молекулы, которые ранее использовались в подобных экспериментах. Даже «кот», который состоял из 2000 атомов, был намного легче.

Колебания в кристалле (слева и вверху) действуют как тяжелый «кот Шредингера», а атом представлен пьезоэлектрическим материалом (внизу), который находится между кристаллом и сверхпроводящей цепью и связывает их через электрические поля
Колебания в кристалле (слева и вверху) действуют как тяжелый «кот Шредингера», а атом представлен пьезоэлектрическим материалом (внизу), который находится между кристаллом и сверхпроводящей цепью и связывает их через электрические поля
Yiwen Chu/ETH Zurich
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Конечно, вопрос здесь не в том, жив кристалл или мертв, а в том, колеблется ли он «вверх» или «вниз». Как и у кошки, состояние кристалла связано с квантовым триггером — в данном случае это сверхпроводящая цепь, генерирующая электрическое поле, которое взаимодействует с другим электрическим полем, создаваемым колебаниями кристалла на материале между ними.

И действительно, команда смогла измерить колебания кристалла и обнаружила, что они находятся в суперпозиции обоих состояний. Это приближает область квантовой физики к макромасштабу, чем когда-либо прежде, что может помочь ученым лучше понять, где проходит грань. «Это интересно, потому что позволит нам лучше понять причину исчезновения квантовых эффектов в макроскопическом мире настоящих кошек», — пояснил Ивэнь Чу, ведущий исследователь исследования.

Команда утверждает, что кристаллы могут стать более надежными квантовыми компьютерами или потенциально будущими детекторами темной материи и гравитационных волн.