Физики “размножили” кошку Шредингера

Кошка Шредингера – это мысленный эксперимент, который демонстрирует парадокс состояния квантовой суперпозиции на примере понятных нам объектов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Идея этого эксперимента заключается в том, что живую кошку заключают в коробку, внутри которой находится устройство, содержащее радиоактивный элемент и яд. Если атом радиоактивного элемента спонтанно распадется, это приведет к тому, что в коробку будет выпущен яд и кошка погибнет. С точки зрения квантовой физики кошка в коробке одновременно и жива и мертва, и такое состояние будет сохраняться до тех пор, пока кто-нибудь не откроет коробку и не заглянет внутрь, полностью разрушив тем самым хрупкое состояние квантовой суперпозиции.

Аналоги этого гипотетического эксперимента, предложенного в 1935 году австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шредингером, одним из отцов-основателей квантовой механики, в последние годы широко используются в исследованиях, связанных с квантовой физикой. Ученым уже не раз удавалось поместить в состояние квантовой суперпозиции атомы вещества, отдельные фотоны и пакеты света, состоящие из сотен фотонов.

Однако группа ученых-физиков из Йельского университета пошла еще дальше. Они расширили эксперимент Шредингера, введя в него еще одну “коробку” таким образом, что кошка живет или умирает сразу в двух коробках. Данный эксперимент является симбиозом идеи кошки Шредингера и другого основополагающего понятия квантовой физики – явления квантовой запутанности. Это явление, которое Эйнштейн назвал “призрачным действием на расстоянии”, заключается в том, что если изменить квантовое состояние одного из запутанных объектов, то состояние второго объекта моментально изменится соответствующим образом, невзирая на разделяющее эти объекты расстояние. А в данном случае явление квантовой запутанности позволяет разделить квантовое состояние кошки Шредингера на две различные точки пространства.

С практической точки зрения реализация столь необычной идеи заключалась в создании двух микроволновых резонансных впадин и одного “порта” для контроля квантового состояния. Все это было связано со своего рода искусственным сверхпроводящим атомом, а роль кошки Шредингера выполняли фотоны микроволнового излучения, заключенные в резонансных впадинах.

“Такая кошка Шредингера является “большой и умной”, она не может оставаться только в одной коробке, ведь ее квантовое состояние распределяется по двум резонансным впадинам и не может существовать по отдельности” – рассказывает Чен Вон (Chen Wang), ведущий исследователь, – “На все это можно взглянуть и с другой точки зрения, как на двух маленьких кошек Шредингера, находящихся в разных коробках и запутанных друг с другом на квантовом уровне так, что они не могут существовать друг без друга”.

Результаты исследований, полученный йельскими учеными в ходе их экспериментов, можно будет использовать в области квантовых вычислений. Квантовые компьютеры, способные использовать в своих целях одновременно состояние квантовой суперпозиции и явление квантовой запутанности, смогут решать задачи определенного рода гораздо быстрее даже самых мощных суперкомпьютеров. Но для создания надежно работающих квантовых компьютеров ученым еще предстоит решить ряд проблем, в том числе детектирование и неразрушающую коррекцию ошибок, возникающих в результате воздействия квантовой декогеренции.

Кроме достаточно нового “взгляда” на проблему кошки Шредингера, йельские ученые создали несколько вещей, которые найдут практическое применение в квантовой технике. К этому относятся цилиндрические резонансные впадины, которые обеспечивают рекордно долгое время хранения квантовой информации, которое составляет более 1 миллисекунды. Кроме этого, ученые разработали сверхпроводящую систему измерения, которая позволяет с высокой точностью измерять квантовое состояние объекта неразрушающим информацию способом.