Эрвин Шредингер придумал в 1935 году мысленный эксперимент про кота, который может быть одновременно и живым, и мертвым, пока на него не посмотрят. Так и частицы находятся в двух местах одновременно, в состоянии суперпозиции, это много раз удавалось проверить в лабораторных экспериментах.
Недавно в Швейцарской высшей технической школе Цюриха команда ученых наложила два колебательных состояния на небольшой кристалл и, таким образом, создала значительно более тяжелого кота Шредингера. Выводы команды, опубликованные в журнале Science, могут привести к созданию более надежных квантовых битов и пролить свет на загадку того, почему квантовые состояния не наблюдаются в макроскопическом, «большом», неквантовом, мире.
В оригинальном мысленном эксперименте Шредингера кот был заперт в металлическом ящике вместе с радиоактивным веществом, счетчиком Гейгера и флаконом с ядом. Атом в веществе может распасться, а может и не распасться, в результате квантово-механического процесса. Продукты распада вызовут срабатывание счетчика Гейгера и с помощью механизма разобьется пузырек с ядом, в конечном итоге убив кота. Поскольку сторонний наблюдатель не может знать, распался ли атом, он также не знает, жив кот или мертв — кот для него получается жив и мертв одновременно.
Система ученых из Швейцарии представляет собой квантовый бит (кубит) из вибрирующего микрокристалла, который может принимать состояния «0», «1» или суперпозицию «0+1». Роль счетчика Гейгера и яда выполняет слой материала, создающий электрическое поле когда кристалл меняет форму при колебаниях. Это электрическое поле может быть связано с электрическим полем кубита, позволяя передать состояние суперпозиции кубита кристаллу. Это означает, что кристалл теперь может колебаться в двух направлениях одновременно. Эти два направления обозначают состояния кота «живой» или «мертвый».
«Совместив два колебательных состояния кристалла, мы фактически создали кота Шредингера, который весит 16 микрограммов», — объясняет руководитель исследования Йивэнь Чу.
Это примерно как масса мелкой песчинки и далеко от массы кошки, но все же в несколько миллиардов раз тяжелее атома или молекулы, что делает ее самым «толстым квантовым котом» на сегодняшний день.
Чтобы колебательные состояния считались истинными, важно, чтобы они были макроскопически различимы. Это означает, что расстояние между состояниями «вверх» и «вниз» должно быть больше, чем изменения положений атомов в кристалле. Хотя измеренное расстояние составляло лишь одну миллиардную часть миллиардной метра, меньше атома, его все же было достаточно, чтобы четко отличить состояния друг от друга.
«Это интересно, потому что позволяет нам лучше понять причины исчезновения квантовых эффектов в макроскопическом мире настоящих кошек», — говорит исследовательница.
Однако помимо этого довольно академического интереса существуют также возможные приложения в квантовых технологиях. Например, квантовую информацию, хранящуюся в кубитах, можно сделать более надежной, если использовать огромное количество атомов в кристалле, вместо отдельных. Кроме того, чрезвычайная чувствительность массивных объектов в состояниях суперпозиции может быть использована для точных измерений крошечных возмущений, таких как гравитационные волны, или для обнаружения темной материи.