Один из наиболее известных мысленных экспериментов в квантовой физике претерпел неожиданное изменение. Ученые из Университета Инсбрука (Австрия) показали, что квантовые состояния, известные своей хрупкостью и странностью, когда частицы могут одновременно находиться в двух противоположных состояниях, способны сохраняться и даже укрепляться при более высоких температурах, чем предполагалось ранее.
Исследование, недавно в журнале Science Advances, представленные результаты демонстрируют, что «горячие» состояния кота Шрёдингера могут быть сформированы в сверхпроводящих микроволновых резонаторах — миниатюрных устройствах, которые поглощают и отражают микроволновые сигналы. Благодаря изготовлению из сверхпроводящих материалов, не обладающих электрическим сопротивлением при низких температурах, эти резонаторы способны с высокой точностью удерживать и контролировать энергию, что делает их подходящими для изучения едва заметных физических явлений.
Это важный этап на пути к повышению устойчивости квантовых технологий в практических применениях, где поддержание необходимых для работы физических процессов низких температур невозможно.
«Результаты нашей работы демонстрируют возможность наблюдения и применения квантовых эффектов в условиях, далеких от идеальных и характеризующихся более высокой температурой », — отметил в своем недавнем выступлении ведущий ученый Герхард Кирхмайр, представляющий Университет Инсбрука и Австрийскую академию наук. « При наличии возможности организовать требуемые взаимодействия внутри системы, температура перестает играть существенную роль ».
Состояние квантового кота Шрёдингера
Встречали ли вы когда-нибудь выражение «кот Шрёдингера»? Если да, то вам знакома одна из самых парадоксальных идей квантовой физики. В первоначальном мысленном эксперименте физик Эрвин Шрёдингер описал ситуацию, в которой кот находится в ящике с устройством, которое, с вероятностью 50%, может привести к его гибели из-за распада радиоактивного атома. Пока ящик закрыт, кот одновременно находится и в живом, и в мертвом состоянии — он существует в суперпозиции.
Физикам удалось воссоздать подобные ситуации, используя не живых котов, а частицы, атомы и электромагнитные резонаторы. Эти воспроизведения, известные как состояния кота Шрёдингера, являются характерной особенностью квантовой механики и демонстрируют необычную способность квантовых объектов находиться в нескольких состояниях одновременно.
Обычно эти эффекты проявляются лишь при крайне низких температурах и в строго контролируемой среде. Причина в том, что тепло негативно влияет на квантовую когерентность, создавая помехи, способные разрушить хрупкие суперпозиции в процессе, называемом декогеренцией.
Нагрев квантового мира
Новое исследование поставило под сомнение общепринятые представления, предложив провокационный вопрос: а что, если бы кот Шрёдингера был живым и активным, а не находящимся в состоянии замерзшего покоя?
«В своём эксперименте Шрёдингер также рассматривал живого, или «горячего», кота », — пояснил Кирхмайр. «Возник вопрос о возможности наблюдения этих квантовых эффектов при отсутствии «холодного» основного состояния ».
Для определения этого, специалисты применили уникальное квантовое состояние, известное как трансмонный кубит, в микроволновом резонаторе — компоненте, часто используемом в квантовых компьютерах. Традиционно подобные исследования стартуют с охлаждения системы почти до абсолютного нуля, чтобы перевести ее в «основное состояние» – наименьший энергетический уровень. Однако в данном случае ученые допустили нагрев системы до 1,8 Кельвина (примерно -271,35 °C), что в шестьдесят раз выше обычной рабочей температуры резонатора.
«Наши коллеги выразили удивление, когда мы впервые представили им результаты, поскольку мы привыкли считать, что температура приводит к разрушению квантовых эффектов », — пояснил Томас Агрениус, исследователь, внесший вклад в создание теории, на которой основана работа. « Полученные нами данные свидетельствуют о том, что квантовая интерференция наблюдается даже при повышенных температурах ».
Благодаря разработанным экспериментальным процедурам, команде удалось генерировать состояния, аналогичные кошачьему парадоксу Шрёдингера, в условиях высокой энергии и термической возбужденности.
«Было установлено, что модифицированные протоколы эффективны даже при повышенных температурах, обеспечивая выраженные квантовые интерференции », — подчеркнул Ориол Ромеро-Исарт, в настоящее время занимающий должность директора Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне. « Это позволяет разрабатывать и применять квантовые суперпозиции по-новому ».
Разработка более надежных квантовых систем
Полученные результаты могут оказать значительное влияние на развитие квантовых вычислений и сенсорных технологий. В настоящее время инженеры, работающие в сфере квантовых технологий, сталкиваются с серьезной задачей – обеспечением изоляции квантовых систем от воздействия тепла и шума в реальных условиях. Способность квантовых состояний сохраняться и формироваться при повышенных температурах позволит упростить, удешевить и расширить возможности производства квантовых устройств.
«Полученные нами данные свидетельствуют о возможности создания сильно перепутанных квантовых состояний, обладающих ярко выраженными квантовыми характеристиками », — пояснив, Ян Ян, экспериментатор, который был основным разработчиком этой работы.
Изучение этого вопроса также может способствовать созданию устройств, таких как наномеханические осцилляторы, охлаждение которых до основного состояния представляет значительную трудность. Разработки ученых показывают, что даже если система изначально находится в возбужденном состоянии, это не препятствует достижению квантовых суперпозиций.
«Это открывает новые перспективы», — сказал Ромеро-Исарт. «Для систем, где технически затруднено достижение состояния холодной стабилизации ».