Ученые создают «горячие состояния кота Шредингера»

Фото из открытых источников

Принцип квантовой суперпозиции позволяет нам подготовить систему в суперпозиции двух произвольных состояний. Парадигматическим примером является суперпозиция двух когерентных состояний. Хотя суперпозиция таких состояний обычно называется состоянием кота Шредингера, в оригинальном мысленном эксперименте Эрвина Шредингера кот — система с температурой тела и неравновесная система — готовится в суперпозиции двух смешанных состояний, в которых доминируют классические флуктуации. Физикам из Университета Инсбрука теперь удалось создать горячие состояния кота Шредингера в сверхпроводящем микроволновом резонаторе. Статья о результатах исследования была опубликована в журнале Science Advances.

Состояния кота Шредингера — это увлекательное явление в квантовой физике, при котором квантовый объект существует одновременно в двух различных состояниях.

В мысленном эксперименте Эрвина Шредингера кот одновременно жив и мертв.

В реальных экспериментах такая одновременность наблюдалась в расположении атомов и молекул, а также в колебаниях электромагнитных резонаторов.

Ранее эти аналоги мысленного эксперимента Шредингера создавались путем предварительного охлаждения квантового объекта до его основного состояния — состояния с минимально возможной энергией.

В новом исследовании доктор Герхард Кирхмайер и его коллеги из Университета Инсбрука продемонстрировали, что действительно возможно создавать квантовые суперпозиции из термически возбужденных состояний.

«Шредингер также предполагал наличие живого, то есть «горячего» кота в своем мысленном эксперименте», — сказал Кирхмайр. «Мы хотели узнать, могут ли эти квантовые эффекты также возникать, если мы не начинаем с «холодного» основного состояния».

Для генерации состояний кота Шредингера исследователи использовали трансмоновый кубит в микроволновом резонаторе.

Им удалось создать квантовые суперпозиции при температурах до 1,8 К, что в шестьдесят раз выше температуры окружающей среды в полости.

«Наши результаты показывают, что возможно генерировать сильно смешанные квантовые состояния с различными квантовыми свойствами», — сказал Ян Ян, совтор исследования.

Ученые использовали два специальных протокола для создания состояний горячего кота Шредингера.

Ранее эти протоколы использовались для создания состояний кошек, начиная с основного состояния системы.

«Оказалось, что адаптированные протоколы работают и при более высоких температурах, генерируя отчетливые квантовые интерференции», — сказал профессор Ориол Ромеро-Исарт, соавтор исследования. «Это открывает новые возможности для создания и использования квантовых суперпозиций, например, в наномеханических осцилляторах, для которых достижение основного состояния может быть технически сложной задачей».

«Многие наши коллеги были удивлены, когда мы впервые рассказали им о наших результатах, потому что мы обычно думаем о температуре как о чем-то, что разрушает квантовые эффекты», — сказал соавтор исследования Томас Агрениус. «Наши измерения подтверждают, что квантовая интерференция может сохраняться даже при высокой температуре».

Результаты исследования могут принести пользу развитию квантовых технологий.

«Наша работа показывает, что можно наблюдать и использовать квантовые явления даже в менее идеальных, более теплых условиях», — сказал Кирхмайер. «Если мы сможем создать необходимые взаимодействия в системе, температура в конечном итоге не будет иметь значения».