Эксперимент с квантовым котом побил рекорд: 23 минуты в состоянии суперпозиции

Состояния квантовой суперпозиции известны своей хрупкостью, тем не менее китайские ученые сообщили о создании такого состояния, которое длилось целых 23 минуты и 20 секунд. Этот рекордный результат интересен сам по себе, но команда считает, что он может открыть новые пути к высокоточным измерениям и обработке информации для квантовых компьютеров. Возможно, он даже позволит ученым исследовать пределы физических теорий.

В исследовании, которое еще не прошло рецензирование, 10 000 атомов иттербия были охлаждены до нескольких тысячных долей градуса выше абсолютного нуля и пойманы в лазерную ловушку с помощью света. Каждый атом можно было контролировать с большой точностью и поместить в суперпозицию двух совершенно разных спиновых состояний.

Это состояние известно как состояние «квантового кота». В знаменитом мысленном эксперименте с котом Шредингера мы видим кота, закрытого в коробке с ядом, активируемым случайным квантовым процессом. Не открыв коробку, мы не можем определить состояние кошки, поэтому она одновременно жива и мертва два противоречивых состояния в неквантовой реальности, которую мы наблюдаем. 

В квантовом мире квантовые кошачьи состояния это суперпозиции, в которых квантовое состояние может существовать в нескольких вариантах одновременно, хотя невозможно определить, в каком из них оно находится на самом деле, так что фактически это все состояния сразу. В новом эксперименте поражает длительность этого квантового кошачьего состояния. В природе суперпозиция распадается на одну или другую за доли секунды, но здесь она сохранялась в течение 1 400 секунд. Команда считает, что с помощью более совершенной вакуумной системы можно добиться того, чтобы она сохранялась еще дольше. 

«Это большое дело, потому что они создают это прекрасное кошачье состояние в атомной системе, и оно стабильно», — сказал New Scientist Барри Сандерс из Университета Калгари, который не принимал участия в исследовании. «Зонд трясут, толкают, толкают и толкают, а затем, наблюдая за тем, что происходит, вы узнаете о том, что с ним взаимодействует».

Особенность эксперимента китайских ученых — использование так называемого «декогеренционного свободного подпространства», где атомы защищены от внешних колебаний энергии, что позволяет сохранить суперпозицию дольше, чем это было возможно ранее. Это свойство особенно важно для применения в атомной метрологии — таких системах, где даже небольшие отклонения могут сыграть ключевую роль в результатах. Новый рекорд — 1400 секунд — открывает возможность более точно измерять магнитные поля и может быть даже использован для поиска новых физических явлений за пределами Стандартной модели.

Исследование показывает, что для таких устройств можно использовать множество различных элементов, не обязательно иттербий, однако они показали, что эта конкретная установка с атомами иттербия чрезвычайно чувствительна к измерению магнитных полей, что имеет захватывающее применение. Это не единственный недавний рекордный случай, когда речь идет об экспериментах с квантовыми кошками. В прошлом году исследователи успешно поместили в суперпозицию самый тяжелый макроскопический объект. Это был кристалл весом всего 16 микрограммов, но это показывает, что область действительно открывает новые возможности.

Препринт статьи, описывающей эксперимент и результат, доступен на ArXiv.