Кот Шрёдингера выбрался из морозилки? Кажется, холод больше не обязателен для квантовых эффектов

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Все мы слышали про знаменитого кота Шрёдингера, этого бедолагу, который одновременно и жив, и мёртв, пока мы не заглянем в коробку. Классический мысленный эксперимент, заставляющий почесать затылок уже почти столетие! Но вот в чём штука: когда учёные пытаются воссоздать подобные квантовые странности в лаборатории — а они пытаются, и довольно успешно, с атомами или световыми частицами — им обычно приходится идти на крайние меры. Нужно охладить всё до температур, близких к абсолютному нулю. Бррр!

Зачем так холодно? Дело в том, что квантовые состояния — штука невероятно хрупкая. Малейшее «тепловое дрожание», любой шум из внешнего мира может разрушить эту деликатную суперпозицию, когда объект существует в нескольких состояниях сразу. Представьте, что пытаетесь построить карточный домик во время землетрясения — примерно так же тепловой шум влияет на квантовые системы. Поэтому общепринятая мудрость гласила: хочешь квантовых чудес — обеспечь почти идеальную тишину и холод.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

А если нарушить правила?

Но наука тем и хороша, что всегда находятся смельчаки, готовые спросить: «А что, если?..» Именно такой вопрос задала себе команда исследователей из Инсбрука, Австрия. Под руководством Герхарда Кирхмайра и Ориоля Ромеро-Исарта они решили проверить: а так ли уж обязательно начинать с этого самого «ледяного» основного состояния, состояния с минимально возможной энергией? Ведь сам Шрёдингер, если уж на то пошло, представлял себе вполне себе живого, тёплого кота!

И знаете что? У них получилось!

Знакомьтесь: «горячий» кот

В своих экспериментах, результаты которых опубликованы в престижном журнале Science Advances, команда использовала специальное устройство — сверхпроводящий микроволновый резонатор. Это что-то вроде крошечной, но очень качественной «эхо-комнаты» для микроволн, внутри которой «живёт» кубит (квантовый бит) типа трансмон. Не вдаваясь в дебри квантовой инженерии, скажем так: это их полигон для создания квантовых состояний.

И вот самое интересное: им удалось создать аналоги знаменитого кота Шрёдингера — состояния квантовой суперпозиции — при температуре до 1.8 Кельвина.

Погодите, 1.8 Кельвина? Это же примерно -271 градус Цельсия! Разве это «горячо»?

Ну, по нашим, человеческим меркам, это, конечно, лютый мороз. Но в мире квантовой физики, где обычно стремятся к тысячным долям Кельвина, 1.8 К — это, можно сказать, почти «комнатная температура». Это примерно в 60 раз теплее, чем стандартные условия, в которых обычно работают с такими резонаторами! Это как если бы вы вдруг смогли запустить суперкомпьютер не в ледяном дата-центре, а, скажем, в обычной комнате. Разница колоссальная!

Результаты измерения функции Вигнера. (А) Холодный кот Шрёдингера, приготовленный с использованием протокола qcMAP с отключенной тепловой баней (nth = 0.03, 𝒫 = 0.94). (B и C) Горячие состояния кота Шрёдингера, приготовленные из начального теплового состояния с nth = 3.48(7) с использованием протоколов ECD (B) и qcMAP (C). На (А)–(С) также показаны маргинальные распределения, полученные суммированием вдоль оси Re{β}. Для увеличения видимости малых значений чётности яркость цвета изменяется нелинейно по цветовой шкале. (D)–(G) Сечения функции Вигнера вдоль координатных осей в протоколах ECD (D и E) и qcMAP (F и G) при значении nth начального состояния, указанном в легенде. (H)–(J) Матрицы плотности в представлении Фока, реконструированные из данных измерения функции Вигнера в (А)–(С) соответственно. (I) и (J) используют общую нижнюю цветовую шкалу. Матричные элементы задаются как ρmn = ⟨m|ρ̂|n⟩. Цитирование: Ian Yang et al. ,Hot Schrödinger cat states.Sci. Adv.11,eadr4492(2025).DOI:10.1126/sciadv.adr4492 — Результаты измерения функции Вигнера. (А) Холодный кот Шрёдингера, приготовленный с использованием протокола qcMAP с отключенной тепловой баней (nth = 0.03, 𝒫 = 0.94). (B и C) Горячие состояния кота Шрёдингера, приготовленные из начального теплового состояния с nth = 3.48(7) с использованием протоколов ECD (B) и qcMAP (C). На (А)-(С) также показаны маргинальные распределения, полученные суммированием вдоль оси Re{β}. Для увеличения видимости малых значений чётности яркость цвета изменяется нелинейно по цветовой шкале. (D)-(G) Сечения функции Вигнера вдоль координатных осей в протоколах ECD (D и E) и qcMAP (F и G) при значении nth начального состояния, указанном в легенде. (H)-(J) Матрицы плотности в представлении Фока, реконструированные из данных измерения функции Вигнера в (А)-(С) соответственно. (I) и (J) используют общую нижнюю цветовую шкалу. Матричные элементы задаются как ρmn = ⟨m|ρ̂|n⟩. Цитирование: Ian Yang et al., Hot Schrödinger cat states.Sci. Adv.11,eadr4492(2025).DOI:10.1126/sciadv.adr4492
Автор: Ian Yang et al. Источник: www.science.org

Как им это удалось? Неужели тепло не помеха?

Исследователи взяли за основу уже известные методики создания «кошачьих» состояний, но немного их адаптировали. Оказалось, что эти модифицированные протоколы работают и в более «тёплых» условиях, позволяя наблюдать отчётливые признаки квантовой интерференции — того самого эффекта, который лежит в основе суперпозиции.

«Многие коллеги были, мягко говоря, удивлены», — признаётся Томас Агрениус, участвовавший в теоретической проработке эксперимента. И их можно понять! Ведь десятилетиями физики исходили из того, что температура — главный враг квантовых явлений. А тут выясняется, что даже в такой, относительно «шумной» тепловой среде, квантовые эффекты могут не просто выживать, но и вполне себе проявляться.

Ян Янг, проводивший ключевые эксперименты, подтверждает: «Наши результаты показывают, что можно генерировать довольно сложные, смешанные квантовые состояния, которые всё ещё обладают явными квантовыми свойствами».

Идеальные, реконструированные и численно смоделированные функции когерентности. (А) Сечения теоретической функции когерентности теплового состояния (приведенной в тексте) со значениями α и nth, как указано в легенде панели. (B)–(D) Сечения функции когерентности для состояний (B) холодного кота, (C) горячего qcMAP кота и (D) горячего ECD кота вдоль линии от (x1, x2) = √2α( − 1, − 1 ) до (x1, x2) = √2α( 2, − 1 ). Сплошные линии указывают идеальные состояния со значениями nth и α, приведенными в легенде на (А). Штрихпунктирная линия вычислена по реконструкции матрицы плотности для измеренных экспериментальных данных. Штриховые линии вычислены на основе реконструкций матрицы плотности по результатам численной модели ab initio приготовления состояния, обсуждаемой в тексте. Пунктирные полупрозрачные линии включены для демонстрации результатов численной модели в случае добавления дополнительной дефазировки резонатора Цитирование: Ian Yang et al. ,Hot Schrödinger cat states.Sci. Adv.11,eadr4492(2025).DOI:10.1126/sciadv.adr4492 — Идеальные, реконструированные и численно смоделированные функции когерентности. (А) Сечения теоретической функции когерентности теплового состояния (приведенной в тексте) со значениями α и nth, как указано в легенде панели. (B)-(D) Сечения функции когерентности для состояний (B) холодного кота, (C) горячего qcMAP кота и (D) горячего ECD кота вдоль линии от (x1, x2) = √2α( − 1, − 1 ) до (x1, x2) = √2α( 2, − 1 ). Сплошные линии указывают идеальные состояния со значениями nth и α, приведенными в легенде на (А). Штрихпунктирная линия вычислена по реконструкции матрицы плотности для измеренных экспериментальных данных. Штриховые линии вычислены на основе реконструкций матрицы плотности по результатам численной модели ab initio приготовления состояния, обсуждаемой в тексте. Пунктирные полупрозрачные линии включены для демонстрации результатов численной модели в случае добавления дополнительной дефазировки резонатора Цитирование: Ian Yang et al., Hot Schrödinger cat states.Sci. Adv.11,eadr4492(2025).DOI:10.1126/sciadv.adr4492
Автор: Ian Yang et al. Источник: www.science.org

Так что же это значит на практике?

Во-первых, это немного меняет наш взгляд на то, где и как могут проявляться квантовые законы. Похоже, дело не только в абсолютной температуре, но и в том, как именно устроена система и как мы ей управляем. Как подчёркивает Герхард Кирхмайр: «Если мы можем создать нужные взаимодействия в системе, то температура, в конечном счёте, может и не иметь решающего значения».

Во-вторых, это открывает довольно заманчивые перспективы. Например, для так называемых наномеханических осцилляторов — крошечных вибрирующих конструкций, которые тоже хотят заставить вести себя по-квантовому. Охладить их до основного состояния — задача очень непростая технически. А если окажется, что это и не всегда обязательно? Это могло бы существенно упростить создание и применение некоторых квантовых устройств.

По сути, работа австрийских физиков — это ещё один шаг к тому, чтобы квантовые технологии стали чуть ближе к реальности, возможно, менее требовательными к экзотическим условиям. Конечно, до квантового компьютера у вас дома ещё далеко, но сам факт, что «кот Шрёдингера» может существовать не только в ледяной пустыне абсолютного нуля, но и в условиях посерьёзнее — это уже довольно горячая новость. Не правда ли?