Исследователи в области квантовой физики изучают удивительные явления, которые бросают вызов нашему пониманию реальности. Среди этих явлений квантовая суперпозиция — одно из самых странных: она позволяет частицам существовать в нескольких состояниях одновременно. Для иллюстрации этой концепции часто используется метафора кота Шрёдингера. Однако состояния суперпозиции чрезвычайно хрупки: как правило, они разрушаются за доли секунды.

Однако недавно китайская команда сумела сохранить состояние суперпозиции в течение 23 минут, установив рекорд и открыв многообещающие перспективы для научных исследований.

Причуды квантовой механики
Квантовая суперпозиция — одно из самых увлекательных и загадочных явлений в современной физике. В квантовом мире частицы (такие, как электроны или фотоны) не имеют единственного, определенного состояния, пока их не наблюдают. Они могут существовать в нескольких состояниях одновременно — это понятие известно как суперпозиция. Это означает, что частица может быть одновременно и здесь, и там, в отличие от того, как ведут себя объекты в нашем масштабе, где их положение всегда фиксировано.

Чтобы объяснить эту концепцию, физик Эрвин Шрёдингер в 1935 году разработал теоретический эксперимент под названием «кот Шрёдингера». Кот, запертый в коробке, может быть и жив, и мертв, пока коробку не откроют, чтобы проверить его состояние, потому что радиоактивный атом, который должен вызвать выброс яда, существует в суперпозиции распавшихся и нераспавшихся состояний. Когда происходит наблюдение, суперпозиция разрушается: частица (или кот) переходит в единое состояние. Это явление, известное как коллапс волновой функции, является центральным в квантовой физике.

Этот парадокс иллюстрирует странную природу суперпозиции, которая ускользает от нашей интуиции. Однако это явление имеет далеко идущие последствия, не в последнюю очередь для развития таких технологий, как квантовые компьютеры. В этих компьютерах используются квантовые биты (или кубиты), которые могут находиться в нескольких состояниях одновременно, в отличие от обычных битов, которые могут быть только 0 или 1. Таким образом, суперпозиция позволяет выполнять большое количество вычислений параллельно, что обещает произвести революцию в вычислительной технике, значительно увеличив скорость обработки данных.

Эфемерное явление
Состояния квантовой суперпозиции чрезвычайно хрупки и обычно разрушаются за доли секунды при взаимодействии с окружающей средой. Это явление, известное как декогеренция, приводит к исчезновению суперпозиции и выбору квантовой частицей одного состояния из всех возможных. Малейшего внешнего возмущения (даже незначительного изменения температуры, магнитного поля или взаимодействия с другой частицей) достаточно, чтобы нарушить суперпозицию. Это означает, что поддерживать частицу в стабильном состоянии суперпозиции крайне сложно. Поэтому декогеренция представляет собой серьезную проблему для технологических приложений квантовой физики, таких как квантовые компьютеры.

Для того чтобы эти компьютеры могли использовать возможности суперпозиции и выполнять сложные вычисления, необходимо, чтобы кубиты находились в суперпозиции достаточно долгое время для выполнения операций. Чем дольше длится суперпозиция, тем сложнее вычисления или точнее измерения. В этом контексте эксперимент, недавно проведенный командой из Университета науки и технологий Китая, представляет собой большой прорыв. Им удалось поддерживать состояние суперпозиции в течение рекордного времени — 23 минут и 20 секунд, что является исключительным.

Беспрецедентный эксперимент, который раздвигает границы
Для достижения этой цели исследователи охладили около 10 000 атомов иттербия на несколько тысячных долей градуса выше абсолютного нуля, создав чрезвычайно стабильные и изолированные условия. Заключив эти атомы в ультрахолодную среду в вакууме, ученые смогли свести разрушительные взаимодействия к минимуму и тем самым продлить состояние суперпозиции. Используя свет для захвата и удержания атомов в стабильном пространстве, они смогли поместить их в устойчивое состояние суперпозиции двух противоположных спинов. Созданное состояние суперпозиции, получившее название «состояние квантового кота», позволило бы удерживать частицы в двух одновременных состояниях в течение 1400 секунд.

Другими словами, там, где обычно это состояние разрушается за доли секунды, китайская команда стабилизировала систему гораздо дольше, чем это удавалось ранее в любом другом эксперименте.

Каковы возможности применения этого квантового прорыва?
Впереди еще много трудностей. Суперпозиция квантовых состояний требует экстремальных лабораторных условий: температуры, близкой к абсолютному нулю, идеального вакуума, изоляции от вибраций и других внешних помех. Несмотря ни на что, полученные результаты обнадеживают. В конечном итоге этот прорыв может иметь далеко идущие последствия во многих областях, включая разработку квантовых компьютеров и технологий высокоточных измерений. А пока исследования продолжаются.

В этом эксперименте иттербий показал хорошие результаты, но другие элементы могут оказаться более стабильными, что расширит поле возможностей, позволив протестировать большее разнообразие материалов и конфигураций. Таким образом, эта быстро развивающаяся область может привести к новым открытиям, которые изменят наше понимание квантового мира.