Квантовые суперпозиции теперь могут существовать не только при температурах, близких к абсолютному нулю. Австрийские ученые впервые создали «горячие» состояния, имитирующие кота Шредингера, при температурах, значительно превышающие обычные условия для таких исследований.
Кот Шредингера — это мысленный эксперимент, иллюстрирующий ситуацию, когда квантовый объект одновременно существует в двух состояниях: в упрощённой интерпретации, он как бы и жив, и мертв. Подобные состояния в реальных условиях создаются в ходе экспериментов с атомами, молекулами или электромагнитными резонаторами.
Ранее для достижения этого необходимо было значительно понижать температуру системы, стремясь к абсолютному нулю, чтобы уменьшить влияние помех. Однако многие системы, включая наномеханические осцилляторы и частицы, удерживаемые в ловушках, трудно охладить до подобных температур. Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, исследование продемонстрировало, что квантовые явления могут проявляться даже без экстремального охлаждения.
Группа исследователей провела эксперимент с использованием сверхпроводящего кубита и микроволнового резонатора. Ученые создали «горячие» состояния кота Шредингера — квантовые суперпозиции смещенных тепловых состояний — при температуре резонатора до 1,8 кельвина. Это в 60 раз выше температуры окружающей среды в установке.
Квантовые суперпозиции смещенных тепловых состояний можно представить себе, используя аналогию с гитарной струной. При нагревании струна начинает колебаться хаотично из-за тепловых колебаний, что и представляет собой тепловое состояние. Если же струну резко дернуть в двух противоположных направлениях одновременно, она начнет колебаться и влево, и вправо в тот же момент — это и есть квантовая суперпозиция.
В этой системе сверхпроводящий кубит выполнял функцию миниатюрного переключателя, управляющего микроволновым резонатором. Используя специальные импульсы, физики направляли фотоны в резонаторе в противоположные стороны, формируя два смещенных состояния.
Для создания этих объектов использовали два протокола: echoed conditional displacement (ECD) и qcMAP. Ранее эти методы применялись для формирования «холодных» котов Шредингера из основного состояния системы. В ходе нового эксперимента протоколы были модифицированы для работы с тепловыми состояниями.
Разделение фоковских распределений, то есть состояний с фиксированным числом фотонов, исходного теплового состояния и состояния, смещенного управляющими импульсами, стало ключевым этапом. Это позволило отделить тепловой «фон» от смещенных состояний, что необходимо для наблюдения интерференции. В противном случае тепловые фотоны бы нивелировали квантовые эффекты.
Измерения функции Вигнера — экспериментальные данные, полученные с помощью инструмента для визуализации квантовых состояний, продемонстрировали интерференционные паттерны с отрицательными значениями. Это служит прямым доказательством квантовой суперпозиции. При этом, даже при начальной чистоте состояния, составлявшей всего 6%, что эквивалентно 7,6 тепловым фотонам в резонаторе, интерференция не исчезла.
Замечено, что протоколы ECD и qcMAP демонстрируют одинаковые результаты при анализе «холодных» состояний, однако при работе с тепловыми состояниями они порождают различные интерференционные картины. Так, при использовании ECD наблюдалось снижение амплитуды колебаний с повышением температуры, в то время как в qcMAP она сохранялась более продолжительное время, несмотря на усиление тепловых возбуждений.
При наличии соответствующих взаимодействий температура больше не является ограничивающим фактором. Ранее существовало мнение, что квантовые эффекты подавляются тепловым шумом. Однако, авторы новой работы продемонстрировали, что даже в системах с высоким уровнем шума возможно выделить суперпозицию – это похоже на то, как можно различить два голоса в шумной толпе.
Это позволяет применять квантовые эффекты в системах, где невозможно достичь основного состояния. К ним относятся, например, наномеханические осцилляторы или левитирующие частицы.