Квантовые суперпозиции теперь могут существовать при высоких температурах. Исследователи из Австрии добились «горячих» состояний кота Шредингера при температуре, намного выше обычных для подобных экспериментов условий.
Мысленный эксперимент «Кот Шредингера» демонстрирует, что квантовый объект может существовать одновременно в двух состояниях: он жив и мёртв. Подобные состояния создают в атомах, молекулах или электромагнитных резонаторах во время реальных опытов.
До сих пор для этого требовалось охлаждать систему почти до абсолютного нуля, чтобы минимизировать помехи. Многие системы — от наномеханических осцилляторов до частиц в ловушках — сложно охладить до таких температур. Новая научная работа, опубликованная в журнале… Science AdvancesЭксперимент продемонстрировал возможность квантовых явлений при обычных температурах.
Группа исследователей провела Эксперимент с применением сверхпроводящего кубита и микроволнового резонатора позволил ученым создать «горячие» состояния кота Шредингера — квантовые суперпозиции смещенных тепловых состояний, при температуре резонатора до 1,8 кельвина.
Смещенные тепловые состояния в квантовых суперпозициях можно сравнить с гитарной струной. Нагретая струна случайным образом вибрирует из-за тепловых колебаний — это тепловое состояние. Если же струну резко дернуть одновременно в двух противоположных направлениях, она начнет колебаться и влево, и вправо в одно мгновение — это квантовая суперпозиция.
Сверхпроводящий кубит служил миниатюрным переключателем для управления микроволновым резонатором. Импульсами физики направляли фотоны в резонаторе в два противоположенных направления, формируя два сдвинутых состояния.
Для генерации применили два протокола: echoed conditional displacement (ECD) и qcMAP. Методы ранее использовали для создания «холодных» котов Шредингера из основного состояния системы. В новом эксперименте протоколы адаптировали для работы с тепловыми состояниями.
Разделение фоковских распределений исходного теплового состояния и смещенного состояния с помощью управляющих импульсов стало ключевым шагом. Это позволило отделить тепловой «фон» от смещенных состояний, что необходимо для наблюдения интерференции. Без такого разделения тепловые фотоны исказили бы квантовые эффекты.
Измерения функции Вигнера Инструмент для визуализации квантовых состояний подтвердил наличие интерференционных паттернов с отрицательными значениями. Это прямое доказательство квантовой суперпозиции. Даже при начальной чистоте состояния всего 6%, что соответствует 7,6 тепловому фотону в резонаторе, интерференция сохранялась.
Протоколы ECD и qcMAP, выдающие одинаковые результаты при работе с «холодными» состояниями, демонстрируют разное поведение при обработке тепловых состояний. Например, амплитуда колебаний в ECD снижается с повышением температуры, в то время как в qcMAP сохраняется дольше, несмотря на увеличение тепловых возбуждений.
Если в системе имеются нужные взаимодействия, температура перестает быть помехой. Ранее полагали, что квантовые эффекты угасают в тепловом шуме. Новые исследования демонстрируют, что даже в шумной системе возможно выделить суперпозицию — как различить два голоса в многоголосом крике.
Это создает возможность применения квантовых явлений в системах, недоступных для достижения базового состояния традиционными методами. К примеру, в наномеханических колебательных устройствах или парящих объектах.