Ученые создали крупнейшее состояние кота Шрёдингера из ультрахолодных атомов

Квантовая механика уже более века остается одной из самых успешных и одновременно самых загадочных теорий современной физики. Именно она описывает поведение материи и энергии на уровне атомов и элементарных частиц, где привычные законы классического мира перестают работать. Одним из самых известных и парадоксальных следствий квантовойтеории считается принцип суперпозиции, согласно которому объект может одновременно находиться сразу в нескольких состояниях до момента наблюдения или измерения.

Наиболее известной иллюстрацией этой идеи является мысленный эксперимент австрийского физика Эрвина Шрёдингера, предложенный в 1935 году. В его знаменитом парадоксе кот, находящийся в закрытом ящике, оказывается одновременно живым и мертвым до тех пор, пока наблюдатель не откроет крышку и не проверит результат. Хотя сам эксперимент был придуман как демонстрация странности квантовой механики, термин «кот Шрёдингера» впоследствии стал обозначением реальных квантовых состояний, в которых система существует сразу в нескольких взаимно исключающих конфигурациях.

Теперь международная группа исследователей из Южного университета науки и технологий Китая и Центра квантовой науки Большого залива Гуандун–Гонконг–Макао смогла приблизить эту концепцию к макроскопическому миру. В опубликованной в журнале Nature Physics работе ученые сообщили о создании одного из самых массивных состояний кота Шрёдингера, когда сразу несколько атомов образуют единую квантовую суперпозицию.

В основе эксперимента лежит другое фундаментальное явление квантовой механики — квантовое туннелирование. Согласно классической физике, если частица не обладает достаточной энергией для преодоления барьера, она не сможет пройти сквозь него. Однако в квантовом мире частица имеет вероятность оказаться по другую сторону препятствия даже тогда, когда для этого недостаточно энергии. Именно благодаря квантовому туннелированию работают многие современные технологии, включая полупроводники и туннельные микроскопы.

До настоящего времени подобное поведение обычно наблюдалось лишь для отдельных электронов, атомов или небольших квантовых систем. Чем больше масса объекта, тем быстрее уменьшается вероятность туннелирования. Именно поэтому многие физики считали практически невозможным сохранение эффективного туннелирования для крупных ансамблей частиц.

Для решения этой задачи исследователи использовали ультрахолодные атомы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю. В таких условиях тепловое движение практически исчезает, а квантовые свойства становятся доминирующими. Атомы были помещены в специальную оптическую сверхрешетку, сформированную пересекающимися лазерными лучами. Эта структура образует множество микроскопических потенциальных ям, внутри которых можно с высокой точностью контролировать движение частиц.

Ключевым достижением эксперимента стало объединение нескольких атомов в единый кластер, который вел себя как одна квантовая частица. В ходе работы исследователям удалось добиться того, что группа из семи атомов туннелировала через энергетический барьер как единый объект. При этом система находилась в состоянии пространственной суперпозиции, одновременно существуя по обе стороны барьера. Именно такое состояние и является физической реализацией знаменитого кота Шрёдингера.

Особенно важным оказался тот факт, что эффективность туннелирования практически не уменьшалась по мере увеличения числа атомов в кластере. Это противоречит традиционным представлениям, согласно которым вероятность туннелирования должна экспоненциально снижаться с ростом массы системы. Эксперимент показал, что при правильно подобранных взаимодействиях между частицами этот эффект можно существенно ослабить.

Для достижения такого результата ученые использовали сложные процессы коллективного туннелирования высокого порядка. Вместо формирования жестко связанных структур исследователи создали относительно слабосвязанные атомные кластеры, что позволило сохранить необходимые квантовые свойства даже при увеличении числа частиц. Такой подход открывает путь к дальнейшему масштабированию технологии.

По оценкам авторов работы, предложенная методика в будущем может быть применена для систем, содержащих десятки и даже сотни атомов. В более отдаленной перспективе исследователи рассматривают возможность распространения подобных методов на бозе-эйнштейновские конденсаты, которые могут включать сотни тысяч атомов, объединенных в единое квантовое состояние. Если такие эксперименты удастся реализовать, ученые смогут наблюдать квантовые эффекты в объектах, размеры которых будут значительно ближе к привычному макроскопическому миру.

Практическое значение работы выходит далеко за рамки фундаментальной физики. Массивные квантовые суперпозиции рассматриваются как перспективная основа для создания сверхточных измерительных приборов нового поколения. В частности, речь идет о квантовых датчиках, способных регистрировать чрезвычайно слабые изменения гравитационного поля, ускорения, времени и других физических величин.

Особый интерес представляет атомная интерферометрия — технология, использующая волновую природу атомов для высокоточных измерений. Современные атомные интерферометры уже позволяют определять параметры движения и гравитации с невероятной точностью, однако их чувствительность ограничена так называемым стандартным квантовым пределом. Состояния кота Шрёдингера потенциально способны приблизить измерения к пределу Гейзенберга — фундаментальному максимуму точности, допускаемому законами квантовой механики.

Еще одной причиной интереса к подобным экспериментам является возможность изучения связи между квантовой механикой и гравитацией. Эти две фундаментальные теории прекрасно работают по отдельности, но до сих пор не объединены в единую картину мироздания. Создание все более крупных квантовых суперпозиций может помочь исследователям понять, каким образом гравитация влияет на квантовые состояния и где проходит граница между квантовым и классическим мирами.

Работа китайских физиков демонстрирует, что границы квантовой механики продолжают расширяться. То, что еще недавно считалось исключительно мысленным экспериментом, постепенно превращается в реальный инструмент научных исследований. Каждый новый шаг в создании более крупных состояний кота Шрёдингера приближает ученых к пониманию фундаментальной природы реальности и открывает возможности для появления принципиально новых квантовых технологий будущего.