Изотоп иттербия-173 был удержан китайскими учеными в состоянии «кота Шредингера» в течение более чем 20 минут. Это достижение позволило приблизиться к теоретически возможному пределу точности измерений фазового сдвига в квантовой системе.
Метрология — это область науки, изучающая измерения, их точность и способы проведения. В квантовой метрологии спины частиц используются для измерения магнитных полей, инерции и других физических явлений. Кроме того, они открывают возможность исследовать новую физику за пределами Стандартной модели.
Китайские физики исследовали состояние «кота Шредингера», которое характеризуется суперпозицией — одновременным присутствием двух противоположных и максимально удаленных состояний спина в одном атоме. Атомы, обладающие таким состоянием, предоставляют уникальные возможности для проведения высокоточных измерений в квантовых системах.
Основная трудность при использовании состояний «кота Шредингера» в экспериментах заключается в обеспечении достаточной когерентности — способности сохранять суперпозицию спинов и поддерживать различия в их фазах.
Чтобы решить эту проблему, научная группа во главе с профессором Лу Чжэнтянем ( Lu Zhengtian) и исследователя Ся Тяня (Xia Tian) из Университета науки и технологии Китая (USTC) для проведения эксперимента было задействовано около 10 тысяч атомов изотопа иттербия-173 (¹⁷³Yb) с ядерным спином (5/2).
Ученые понизили температуру атомов почти до абсолютного нуля и зафиксировали их в устойчивом состоянии при помощи лазера. В подобных условиях квантовые состояния атомов можно контролировать с высокой точностью, и физики поместили каждый атом в состояние суперпозиции с двумя очень далекими спинами: +5/2 и -5/2.
Чувствительность к магнитному полю возрастает при состоянии суперпозиции спинов, аналогичном «коту Шредингера». Также, это состояние проявляет устойчивость к шумам, возникающим из-за колебаний интенсивности лазерного излучения и дефектов кристаллической структуры, в которой расположены изотопы иттербия-173.
Как правило, суперпозиция сохраняет свою устойчивость в течение миллисекунды, однако в рамках данного эксперимента физикам удалось поддерживать состояние «кота Шредингера» на протяжении более чем 20 минут. Для подтверждения времени когерентности проверяли чувствительность к фазовым сдвигам. Фазовый сдвиг связан с вращением спинового вектора атомов в суперпозиции. Он приводит к изменению относительной фазы между состояниями, что можно измерить с помощью техники под названием интерферометрия Рамси.
Новые научные исследования продемонстрировали, что точность измерений фазы достигает предела, установленного Гейзенбергом. Этот предел представляет собой максимально возможную точность измерения фазы в квантовых системах, которая определяется основными принципами квантовой механики. Полученные результаты указывают на высокую эффективность применяемой методики и стабильность состояния, аналогичного «коту Шредингера».
Поддержание состояния суперпозиции атомов иттербия-173 на протяжении длительного времени открывает новые перспективы для атомной магнитометрии, квантовых вычислений и исследований физики за пределами Стандартной модели. Результаты исследования расширяют возможности метрологии и технологий, связанных с квантовыми вычислениями и сенсорами.
Статья ученых опубликована в журнале Nature Photonics.