Крихітний вібруючий кристал вагою трохи більше піщинки став найважчим об’єктом, який коли-небудь був зафіксований у суперпозиції місць.
Фізики зі Швейцарського федерального технологічного інституту (ETH) у Цюріху поєднали механічний резонатор із типом надпровідного контуру, який зазвичай використовується в квантових обчисленнях, щоб ефективно відтворити знаменитий мислительний експеримент Ервіна Шредінгера в безпрецедентному масштабі.
За іронією долі, Шредінгер був би дещо скептично налаштований щодо того, що щось таке велике – ну, будь-що взагалі – може існувати в туманному стані реальності.
Стани суперпозиції не мають еквівалента в нашому повсякденному досвіді. Спостерігайте за падінням футболу, і ви зможете відстежувати його швидкість за допомогою секундоміра. Його остаточне положення спокою ясно, як день, і навіть те, як він обертається в польоті, очевидно.
Якщо ви закриєте очі, коли він падає, немає причин думати, що ці стани розташування або поведінка можуть бути іншими. Однак у квантовій фізиці такі характеристики, як положення, обертання та імпульс, не існують жодним значущим чином, доки ви не побачите м’яч, що лежить на землі.
Разом з іншим важковаговиком теоретичної фізики, Альбертом Ейнштейном, Шредінгер не дуже захоплювався інтерпретаціями експериментів, які припускали, що частинки не мають точних властивостей, поки спостереження не дасть їм їх.
Щоб показати, наскільки абсурдною була вся ця ідея, австрієць, лауреат Нобелівської премії, описав сценарій, у якому неспостережене положення частинки було пов’язане з життям неспостережуваної кішки.
Уявіть собі, якщо хочете, частинка, випадково виплеснута з атома, що розпадається, вдаряється в лічильник Гейгера, розбиваючи флакон з отрутою, миттєво вбиваючи кота. Оскільки все це відбувається всередині коробки, події та їх час залишаються непоміченими.
Відповідно до того, що відомо як Копенгагенська інтерпретація квантової фізики, невидима система існує у стані всіх можливостей, доки не буде спостережено її остаточний стан. Частинка як випромінюється, так і не випромінюється. Лічильник Гейгера активується і не активується. Флакон з отрутою розбитий і не розбитий. А кіт і живий, і мертвий.
Це смертельне розмиття практично неможливо уявити, але його легко представити у хвилеподібному рівнянні, розробленому Шредінгером.
Майже століття потому кіт Шредінгера вже не жарт. Це спостерігалося не лише в крихітних частинках, але й у цілих молекулах (не кажучи вже про кластери з тисяч атомів). Ми можемо маніпулювати коробкою, щоб кіт ніколи не помер. Ми навіть можемо повозитися з налаштуванням, щоб розтягнути кота на частини. Фактично, цілі технології засновані на самих принципах об’єктів у станах суперпозиції.
Хоча жодним котам ніколи не загрожував квантовий експеримент – адже, знаєте, етика – теорія залишається ясною. Великі об’єкти, як коти, або навіть люди, слони чи навіть динозаври, можуть існувати в станах суперпозиції так само, як електрони, кварки та фотони.
Математика залишає мало місця для сумнівів, але спостереження за ефектами такого розмитого існування у великому масштабі – це зовсім інша історія.
На атомарному рівні пляму нереалізованих доль можна побачити за допомогою досить елементарного обладнання. У міру того, як властивості об’єктів зростають, відбитки суперпозиції стає важче досліджувати експериментально.
У цьому останньому експерименті об’ємний резонатор акустичних хвиль із високим обертоном, або HBAR, служив котом вагою 16,2 мікрограма. Те, чого йому не вистачало у вигляді вусів і риб’ячого дихання, він компенсував тим, що він міг дзижчати в короткому діапазоні частот, живлячись від струму.
«Поставивши два стани коливань кристала в суперпозицію, ми фактично створили кота Шредінгера вагою 16 мікрограмів», — каже старший автор і фізик ETH Zurich Івен Чу.
Для ролі радіоактивного атома, лічильника Гейгера та отрути команда використовувала трансмон, надпровідний контур, який слугував джерелом живлення, датчиком і суперпозицією експерименту.
З’єднання обох разом дозволило дослідникам привести в рух HBAR так, щоб його коливання тремтіли у двох фазах одночасно, явище, яке поверталося в трансмон.
Питання, наскільки масштабними можуть бути майбутні експерименти, залишається відкритим. На практичному фронті розширення меж масштабу на суперпозиції може призвести до нових методів для того, щоб зробити квантову технологію більш надійною або стати основою для все більш чутливих інструментів для вивчення матерії та космосу.
По суті, все ще залишаються питання про те, що взагалі означає перебування матерії в суперпозиції. Незважаючи на десятиліття прогресу в тому, щоб зробити квантову механіку точнішою, досі немає ясності щодо того, чому відкриття коробки повинно мати якесь значення для долі кота Шредінгера.
Те, що означає перетворити «можливе» на реальність, залишається такою ж загадкою у фізиці елементарних частинок, як коли Шредінгеру приснився абсурдний ідею кота, якого бути не повинно.
Це дослідження було опубліковано в Science.
