Квантовая физика на макроскопическом уровне: эксперимент по созданию суперпозиции двух скоростей

В квантовой физике одной из фундаментальных проблем является изучение границы между классическим и квантовым миром. Особый интерес представляет возможность создания макроскопического квантового суперпозиционного состояния (МКСС), в котором объект обладает квантовыми свойствами, такими как суперпозиция, запутанность или туннелирование, на масштабах, доступных наблюдению. Такое состояние не только является экспериментальным тестом квантовой теории, но и имеет потенциальные приложения в квантовых технологиях, таких как квантовые вычисления, квантовая связь, квантовая метрология и квантовая термодинамика.

Однако, создание МКСС в реальных условиях представляет собой большую техническую сложность. Основная проблема заключается в том, что квантовые объекты подвержены декогеренции, то есть потере квантовых свойств из-за взаимодействия с окружающей средой. Декогеренция пропорциональна массе объекта и обратно пропорциональна его температуре, поэтому для создания МКСС необходимо сильно изолировать и охладить объект до основного состояния движения. Это требует использования сложных и дорогостоящих установок, таких как криогенные камеры, лазерные ловушки, ионные ловушки, оптические резонаторы и т. д.

Группа теоретических физиков под руководством Ориоля Ромеро-Исарта из Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук (ÖAW) и кафедры теоретической физики Университета Инсбрука предложили метод создания МКСС. Этот метод был описан в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Суть метода заключается в следующем. Сначала наночастица, например, стеклянная сфера диаметром около 100 нм, левитирует в вакууме с помощью лазерного луча, который охлаждает ее до основного состояния движения по всем степеням свободы. Это означает, что наночастица имеет минимальную энергию, и находится в квантовом состоянии. Затем лазерный луч выключается, и наночастица эволюционирует в неоптическом («темном») потенциале, созданном электростатическими или магнитными силами. Этот потенциал имеет форму изогнутой рампы, которая индуцирует ускорение и замедление наночастицы в зависимости от ее положения. В результате этой эволюции наночастица формирует МКСС, в котором она находится в суперпозиции двух разных скоростей одновременно. Это состояние можно обнаружить с помощью интерферометрии, то есть измерения взаимодействия наночастицы с другим лазерным лучом.

Преимущество этого метода в том, что он позволяет создать МКСС быстро и надежно, минимизируя влияние декогеренции. Поскольку наночастица эволюционирует в темноте, то есть без лазерного света, она не рассеивает фотоны, которые могут нарушить ее квантовость. Кроме того, поскольку наночастица эволюционирует в неоднородном потенциале, она не локализуется в одной точке, а имеет конечную волновую функцию, которая также способствует сохранению ее квантовых свойств. Наконец, поскольку наночастица эволюционирует достаточно быстро, она не успевает нагреться от столкновений с молекулами газа, которые могут вызвать декогеренцию. Таким образом, этот метод позволяет создать МКСС при более высоких температурах и без строгой изоляции, чем обычно требуется для таких экспериментов.

Ученые обсудили, как решить практические проблемы, связанные с проведением такого эксперимента. Эти проблемы включают необходимость быстрого проведения экспериментальных запусков, минимального использования лазерного света и возможности быстро повторять эксперименты с одной и той же наночастицей. Эти факторы важны для уменьшения влияния низкочастотного шума и других систематических ошибок, которые могут исказить результаты. Авторы статьи утверждают, что их предложение удовлетворяет всем этим требованиям, и что оно соответствует текущим разработкам в экспериментальных лабораториях, участвующих в проекте Q-Xtreme, финансируемом ERC Synergy Grant. Этот проект объединяет ведущих ученых из разных стран, которые работают над созданием МКСС с помощью оптического левитирования наночастиц.

Исследователи выражают надежду, что в ближайшем будущем их эксперимент будет реализован на практике, и что он покажет, что создание МКСС возможно не только в теории, но и в реальности.