Квантовый барабан застучал в такт с кубитом

Квантовая механика утверждает, что наблюдаемая частица может находиться только в дискретных состояниях — то есть измерение спина даст только "вверх" или только "вниз". Ещё в 1930-х годах Эрвин Шрёдингер на своём знаменитом примере с живым-мёртвым котом объяснял, что до измерения частица находится во всех возможных состояниях одновременно и только в момент наблюдения коллапсирует к одному из них.

Хотя это явление – квантовая суперпозиция – изначально относится только к микромиру, учёных всегда чрезвычайно занимал вопрос, что получится, если попробовать создать суперпозицию квантовых состояний для макрообъекта.

Статья американских исследователей опубликована в новом номере Nature. В центре – аспирант Аарон О`Коннелл (Aaron O`Connell), слева – Эндрю Клиланд (Andrew Cleland), справа – Джон Мартинис (John Martinis). Последний, кстати, нам уже знаком по опыту со сверхпроводящей электрической цепью, продемонстрировавшей квантовое поведение (фото George Foulsham).

Авторы нового исследования, инженеры из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), продемонстрировали изготовленный ими механический резонатор-осциллятор длиной 20 микрометров, который в ходе опыта был доведён до так называемого основного состояния (ground state). Это минимальный уровень колебаний, допустимый квантовыми законами: "так близко, как это возможно к полной неподвижности".

Далее, как сообщается в пресс-релизе, резонатор был соединён со сверхпроводящим кубитом, после чего всю систему охладили до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Состоящий из так называемого пьезоэлектрического материала "квантовый барабан" (выделен красным пунктиром) создаёт переменное электрическое поле, сжатие и расширение которого облегчает детекцию (иллюстрация O'Connell et al., Nature).

После охлаждения, используя кубит как "квантовый термометр", исследователи показали — механический резонатор не имеет никаких дополнительных колебаний, иными словами, было достигнуто искомое "основное состояние".

Войдя в него, резонатор, хотя и продолжал относиться к миру макрообъектов, начал демонстрировать вполне квантовое поведение. Инженерам посчастливилось наблюдать, как механический резонатор и кубит обмениваются фононом (квантом колебательного движения), демонстрируя квантовую сцепленность.

Схема взаимодействия резонатора и кубита. Пока последний находился в исходном состоянии, к резонатору прикладывались 5-наносекундные импульсы различной амплитуды. Резонатор становится "передатчиком", с которым кубит взаимодействовал в течение времени τ. Далее учёные измерили зависимость вероятности перехода кубита в возбуждённое состояние (цветная шкала) от амплитуды механических колебаний (отмерена по вертикали в условных единицах) и времени взаимодействия (по горизонтали, наносекунды) (иллюстрация O'Connell et al., Nature).

Затем учёным успешно удалось ввести механический резонатор в состояние квантовой суперпозиции, в которой он одновременно был нулём (не колебался) и единицей (то есть вибрировал). А это — энергетический эквивалент нахождения объекта в двух местах одновременно. Наблюдать колебания "квантового барабана", по словам учёных, можно в обычный электронный микроскоп.

Мы и раньше подробно рассказывали об исследованиях, где размывалась граница между классической и квантовой физикой: например, можно вспомнить, как законам последней подчиняются сверхгигантские океанские волны и как в эксперименте исчезло третье измерение.

Профессор Клиланд дал специальный комментарий по поводу всеми любимого и давно ставшего культурным мемом кота Шрёдингера: нынешний эксперимент, к сожалению, никак не доказывает возможность осуществления опыта с котом в реальности, по той простой причине, что в отличие от механического резонатора кот сам является "измерительным прибором" и влияет на ход эксперимента. Это не мешает, впрочем, отдельным учёным фантазировать на тему создания квантовой суперпозиции для существ, чья "живость" весьма сомнительна – читайте, к примеру, о вирусе Шрёдингера (фото с сайта thenerdiestshirts.com).

Занятно, что только в январе этого года в Science появилась статья Эдриана Чо (Adrian Cho) из Массачусетского технологического института (MIT). В материале, посвящённом миниатюрным квантовым механизмам, автор отмечал значительный прогресс в этой области и предсказывал, что в течение года с "основным состоянием" будут успешно работать уже полдюжины исследовательских групп. Первую ласточку в виде "квантового барабана" мы теперь и наблюдаем.