by Oliver Morsch, ETH Zurich. April 20, 2023. Источник: https://phys.org/news/2023-04-heaviest-schrdinger-cat-small-crystal.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=weekly-nwletter
на Фото: Scientists at ETH Zurich have made progress in creating heavier Schrödinger cats, which can be alive (top) and dead (bottom) at the same time. Credit: ETH Zurich/Ученые из Цюрихского технологического института добились прогресса в создании более тяжелых кошек Шредингера, которые могут быть живыми (сверху) и мертвыми (снизу) одновременно. Кредит: ETH Zurich.
Даже если вы не являетесь квантовым физиком, вы, скорее всего, слышали о знаменитом коте Шредингера. Эрвин Шредингер придумал ощущение, что может быть живым и мертвым одновременно, в ходе мысленного эксперимента в 1935 году. Очевидное противоречие — в конце концов, в повседневной жизни мы видим только живых или мертвых кошек — побудило ученых попытаться реализовать аналогичные ситуации в лаборатории. До сих пор им удавалось делать это, используя, например, атомы или молекулы в квантово-механических состояниях суперпозиции, когда они находятся в двух местах одновременно.
В ETH группа исследователей во главе с Ивен Чу, профессором Лаборатории физики твердого тела, теперь создала существенно более тяжелую кошку Шредингера, поместив небольшой кристалл в суперпозицию двух колебательных состояний. Их результаты, которые были опубликованы на этой неделе в журнале Science, могут привести к созданию более надежных квантовых битов и пролить свет на тайну того, почему квантовые суперпозиции не наблюдаются в макроскопическом мире.
Кошка в коробке
В оригинальном мысленном эксперименте Шредингера кошку запирают в металлическом ящике вместе с радиоактивным веществом, счетчиком Гейгера и колбой с ядом. Через определенный промежуток времени — скажем, через час — атом вещества может распасться, а может и не распасться в результате квантово—механического процесса с определенной вероятностью, и продукты распада могут привести к срабатыванию счетчика Гейгера и запуску механизма, который разбивает колбу с ядом, что в конечном итоге убивает. кот.
Поскольку внешний наблюдатель не может знать, распался ли атом на самом деле, он или она также не знает, жив кот или мертв — согласно квантовой механике, которая управляет распадом атома, он должен находиться в состоянии суперпозиции «живой/мертвый». (Идея Шредингера увековечена фигуркой кошки в натуральную величину возле его бывшего дома на Хаттенштрассе, 9 в Цюрихе).
«Конечно, в лаборатории мы не можем провести такой эксперимент с настоящей кошкой весом в несколько килограммов», — говорит Чу. Вместо этого ей и ее коллегам удалось создать так называемое состояние кошки, используя колеблющийся кристалл, который представляет кошку, со сверхпроводящей цепью, представляющей исходный атом. Эта схема, по сути, представляет собой квантовый бит или кубит, который может принимать логические состояния «0» или «1» или суперпозицию обоих состояний, «0 +1».
Связующим звеном между кубитом и кристаллической «кошкой» является не счетчик Гейгера и не яд, а скорее слой пьезоэлектрического материала, который создает электрическое поле, когда кристалл меняет форму во время колебаний. Это электрическое поле может быть связано с электрическим полем кубита, и, следовательно, состояние суперпозиции кубита может быть передано кристаллу.
In the ETH Zurich experiment, the cat is represented by oscillations in a crystal (top and blow-up on the left), whereas the decaying atom is emulated by a superconducting circuit (bottom) coupled to the crystal. Credit: ETH Zurich/В эксперименте ETH Zurich cat представлен колебаниями в кристалле (вверху и взрыв слева), в то время как распадающийся атом эмулируется сверхпроводящей цепью (внизу), подключенной к кристаллу. Кредит: ETH Zurich
Одновременные колебания в противоположных направлениях
В результате кристалл теперь может колебаться в двух направлениях одновременно — вверх/вниз и вниз/up, например. Эти два направления представляют собой «живое» или «мертвое» состояния кошки. «Поместив два колебательных состояния кристалла в суперпозицию, мы эффективно создали кошку Шредингера весом 16 микрограмм», — объясняет Чу. Это примерно масса мелкой песчинки и даже близко не соответствует массе кошки, но все же в несколько миллиардов раз тяжелее атома или молекулы, что делает ее самой толстой квантовой кошкой на сегодняшний день.
Для того чтобы состояния колебаний были истинными состояниями cat, важно, чтобы они были различимы макроскопически. Это означает, что разделение «верхнего» и «нижнего» состояний должно быть больше, чем любые тепловые или квантовые флуктуации положения атомов внутри кристалла. Чу и ее коллеги проверили это, измерив пространственное разделение двух состояний с помощью сверхпроводящего кубита. Несмотря на то, что измеренное расстояние составляло всего миллиардную долю миллиардной доли метра — фактически меньше атома, — оно было достаточно большим, чтобы четко различать состояния.
Измерение небольших возмущений с помощью состояний cat
В будущем Чу хотела бы еще больше расширить пределы массы своих хрустальных кошек. «Это интересно, потому что позволит нам лучше понять причину исчезновения квантовых эффектов в макроскопическом мире настоящих кошек», — говорит она.
Помимо этого скорее академического интереса, существуют также потенциальные приложения в квантовых технологиях. Например, квантовую информацию, хранящуюся в кубитах, можно было бы сделать более надежной, используя состояния cat, состоящие из огромного количества атомов в кристалле, вместо того, чтобы полагаться на отдельные атомы или ионы, как это делается в настоящее время. Кроме того, чрезвычайная чувствительность массивных объектов в состояниях суперпозиции к внешнему шуму может быть использована для точных измерений крошечных возмущений, таких как гравитационные волны, или для обнаружения темной материи.
More information: Marius Bild et al, Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator, Science (2023). — DOI: 10.1126/science.adf7553
Provided by — ETH Zurich