Исследовательская группа в Инсбруке, Австрия, впервые успешно создала «горячие» состояния кота Шрёдингера в сверхпроводящем микроволновом резонаторе. Этот прорыв демонстрирует, что квантовые суперпозиции могут существовать и использоваться при значительно более высоких температурах, чем считалось возможным ранее, бросая вызов необходимости ультрахолодных сред.
Состояние кота Шрёдингера — это квантовый феномен, названный в честь мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера, где объект одновременно находится в двух различных состояниях, подобно коту, который одновременно и жив, и мертв. Ранее такие состояния наблюдались для положений атомов или молекул, а также для колебаний электромагнитных резонаторов.
Традиционно для создания и наблюдения квантовых эффектов, включая состояния кота Шрёдингера, требовалось охлаждение квантового объекта до его основного состояния — состояния с наименьшей возможной энергией. Новая работа показывает возможность отойти от этого строгого требования.
Эксперименты проводились в Инсбруке, Австрия, на базе Университета Инсбрука (Факультет экспериментальной физики) и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук (ÖAW). Руководили исследованием Герхард Кирхмайр из Университета Инсбрука и IQOQI, а также Ориоль Ромеро-Исарт, ранее профессор теоретической физики в Университете Инсбрука и руководитель исследовательской группы в IQOQI, который с 2024 года стал директором ICFO — Института фотонных наук в Барселоне, Испания.
Непосредственно эксперименты, описанные в исследовании, провел Иэн Янг. Теоретическое обоснование помог разработать Томас Агрениус. Их совместная работа позволила реализовать и понять наблюдаемые явления.
Целью эксперимента было генерирование квантовых эффектов, в частности суперпозиций, исходя не из основного состояния, а из термически возбужденных состояний — аналогия «горячего» кота. Для этого использовалась система, состоящая из трансмон-кубита, помещенного в микроволновый резонатор.
Команде удалось создать квантовые суперпозиции при температурах, достигающих 1.8 Кельвина. Эта температура в 60 раз выше, чем типичная температура окружающей среды в резонаторе, используемом для экспериментов с основным состоянием, что подчеркивает значимость достижения.
Для генерации «горячих» квантовых состояний были применены два специальных протокола. Эти методы были адаптированы из тех, что ранее использовались для создания состояний кота Шрёдингера из основного состояния. В результате были получены сильно смешанные квантовые состояния.
Несмотря на высокую температуру и смешанный характер состояний, в них наблюдались отчетливые квантовые свойства, в частности, квантовые интерференции. Это доказывает, что ключевые характеристики квантовой механики могут сохраняться даже в условиях значительного теплового шума.
Основной вывод исследования заключается в том, что квантовая интерференция может существовать при высоких температурах, что противоречит распространенному мнению о разрушительном влиянии температуры на квантовые эффекты. Это фундаментальное понимание открывает новые перспективы.
Результат открывает возможности для создания и использования квантовых суперпозиций в системах, где достижение основного состояния технически затруднено. Примером таких систем являются наномеханические осцилляторы. Возможность работать в менее идеальных, более теплых условиях может ускорить разработку различных квантовых технологий.
Исследование показывает, что если в системе удается создать необходимые квантовые взаимодействия, то температура может не быть таким критическим ограничивающим фактором, как предполагалось ранее. Результаты работы опубликованы в научном журнале Science Advances.
Изображение носит иллюстративный характер
Состояние кота Шрёдингера — это квантовый феномен, названный в честь мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера, где объект одновременно находится в двух различных состояниях, подобно коту, который одновременно и жив, и мертв. Ранее такие состояния наблюдались для положений атомов или молекул, а также для колебаний электромагнитных резонаторов.
Традиционно для создания и наблюдения квантовых эффектов, включая состояния кота Шрёдингера, требовалось охлаждение квантового объекта до его основного состояния — состояния с наименьшей возможной энергией. Новая работа показывает возможность отойти от этого строгого требования.
Эксперименты проводились в Инсбруке, Австрия, на базе Университета Инсбрука (Факультет экспериментальной физики) и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук (ÖAW). Руководили исследованием Герхард Кирхмайр из Университета Инсбрука и IQOQI, а также Ориоль Ромеро-Исарт, ранее профессор теоретической физики в Университете Инсбрука и руководитель исследовательской группы в IQOQI, который с 2024 года стал директором ICFO — Института фотонных наук в Барселоне, Испания.
Непосредственно эксперименты, описанные в исследовании, провел Иэн Янг. Теоретическое обоснование помог разработать Томас Агрениус. Их совместная работа позволила реализовать и понять наблюдаемые явления.
Целью эксперимента было генерирование квантовых эффектов, в частности суперпозиций, исходя не из основного состояния, а из термически возбужденных состояний — аналогия «горячего» кота. Для этого использовалась система, состоящая из трансмон-кубита, помещенного в микроволновый резонатор.
Команде удалось создать квантовые суперпозиции при температурах, достигающих 1.8 Кельвина. Эта температура в 60 раз выше, чем типичная температура окружающей среды в резонаторе, используемом для экспериментов с основным состоянием, что подчеркивает значимость достижения.
Для генерации «горячих» квантовых состояний были применены два специальных протокола. Эти методы были адаптированы из тех, что ранее использовались для создания состояний кота Шрёдингера из основного состояния. В результате были получены сильно смешанные квантовые состояния.
Несмотря на высокую температуру и смешанный характер состояний, в них наблюдались отчетливые квантовые свойства, в частности, квантовые интерференции. Это доказывает, что ключевые характеристики квантовой механики могут сохраняться даже в условиях значительного теплового шума.
Основной вывод исследования заключается в том, что квантовая интерференция может существовать при высоких температурах, что противоречит распространенному мнению о разрушительном влиянии температуры на квантовые эффекты. Это фундаментальное понимание открывает новые перспективы.
Результат открывает возможности для создания и использования квантовых суперпозиций в системах, где достижение основного состояния технически затруднено. Примером таких систем являются наномеханические осцилляторы. Возможность работать в менее идеальных, более теплых условиях может ускорить разработку различных квантовых технологий.
Исследование показывает, что если в системе удается создать необходимые квантовые взаимодействия, то температура может не быть таким критическим ограничивающим фактором, как предполагалось ранее. Результаты работы опубликованы в научном журнале Science Advances.
