Кот Шредингера «подрос»: физики создали самую крупную «суперпозицию» в истории

Кот Шредингера стал немного упитаннее. Физикам удалось создать крупнейшую на сегодня «суперпозицию» — квантовое состояние, в котором объект существует в «размазанном» виде, одновременно находясь в нескольких возможных местах.

Группа исследователей из Венского университета поместила отдельные кластеры металлического натрия размером около 8 нанометров, примерно из 7000 атомов каждый, в суперпозицию разных положений, отстоящих друг от друга на 133 нанометра. Вместо того чтобы лететь через установку, как бильярдный шар, каждый массивный кластер повел себя как волна: «расплылся» в суперпозиции пространственно разделенных траекторий, в чем ученые убедились по интерференционному узору.

«Это фантастический результат», — восхищена физик Зандра Айбенбергер-Ариас из Института Фрица Габера в Берлине.

Квантовая теория не накладывает ограничений на размер суперпозиции, однако объекты в нашем повседневном мире явно не ведут себя квантовым образом, объясняет она. Этот эксперимент, в котором в суперпозицию приведен объект массой с белковую молекулу или мелкий вирус, помогает ответить на «большой, почти философский вопрос: существует ли переход между квантовым и классическим мирами?» Ученые «показывают, что, по крайней мере для кластеров такого размера, квантовая механика по-прежнему работает».

Описанный в журнале Nature опыт также имеет практическое значение, считает квантовый физик Джулия Рубино из Бристольского университета. Квантовым компьютерам в конечном счете потребуется удерживать, возможно, миллионы объектов в крупном квантовом состоянии для выполнения полезных вычислений. Если бы природа заставляла системы коллапсировать при превышении определенного предела, и этот предел оказался бы ниже уровня, необходимого для создания квантового компьютера, «это стало бы проблемой», говорит исследовательница.

Предел размера для суперпозиции

Физики давно спорят о том, как из квантовой реальности рождается привычный нам классический мир.

«Квантовая теория никогда не утверждает, что она перестает работать выше определенной массы или размера», — подчеркивает Себастьян Педалино, физик из Венского университета, соавтор исследования.

В 1935 году австрийский физик Эрвин Шредингер продемонстрировал абсурдность распространенных в то время интерпретаций квантовой механики на примере знаменитого мысленного эксперимента с котом. Кота помещают в ящик с ампулой яда, которая разбивается, если радиоактивный атом распадется. Если ящик изолирован от окружающей среды, атом пребывает в суперпозиции «распался/не распался», а кот, соответственно, в неопределенном состоянии «и мертв, и жив».

В реальном мире объекты рано или поздно становятся слишком сложными или слишком сильно взаимодействуют с окружением, чтобы сохранять суперпозицию — это явление известно как декогеренция. Однако существуют и расширения квантовой механики, так называемые теории коллапса, которые предполагают, что после определенного предела система неизбежно переходит в классическое состояние даже в полной изоляции.

«Единственный способ проверить это — наращивать масштаб» квантовых экспериментов, убеждена Рубино.

Для этого Педалино и его команда создали в условиях сверхвысокого вакуума при температуре 77 кельвинов (−196 °C) пучок кластеров. Его пропустили через интерферометр, состоящий из трех решеток, созданных лазерными лучами. Первая решетка направляла кластеры через узкие зазоры, откуда они, подобно волнам, расплывались и начинали двигаться синхронно; затем они проходили через вторую систему щелей, заставлявшую волны интерферировать, образуя характерный узор, который можно было зарегистрировать с помощью последней решетки.

Кропотливая работа

Наблюдать подобные квантовые эффекты в крупном масштабе сложно, поскольку случайные молекулы газа, свет или электрические поля могут разрушить хрупкое квантовое состояние, а малейшая расстройка решеток или крошечная сила способны размыть тонкую интерференционную картину. По словам Педалино, команде потребовалось два года, чтобы увидеть сигнал, а прежде он провел «тысячи часов» в лаборатории в подвале, глядя на «плоские линии и шум».

Созданная физиками суперпозиция в 10 раз превзошла предыдущий рекорд по показателю макроскопичности, учитывающему массу, время жизни квантового состояния и расстояние между состояниями.

Но это не самая большая масса, когда-либо помещенная в суперпозицию, уточняет Рубино. В 2023 году другая группа ученых сумела привести в неопределенное состояние вибрирующий кристалл весом 16 микрограмм — но лишь на расстоянии в две миллиардных доли нанометра.

Дальнейшее увеличение масштаба будет непростым, признает соавтор работы Штефан Герлих, также из Венского университета. Более массивные частицы обладают меньшей длиной волны, что затрудняет различение квантовых предсказаний от классических. Впрочем, лет 15 назад Герлих и нынешний эксперимент считал «невозможным».

Команда также работает над пропусканием через ту же установку биологической материи. Некоторые вирусы сопоставимы по размеру с использованными кластерами, но они, как правило, более хрупкие и могут разрушаться в полете, что усложняет эксперимент — хотя и не делает его невыполнимым.

«Думаю, это не так уж и недостижимо», — говорит Педалино.

Хотя вирус и не считается живым, эксперименты с биологической материей «перевели бы всю область квантовой интерференции в новый режим», — добавляет он.