Вчені створили «гарячі» стани кота Шредінгера

Квантові суперпозиції більше не вимагають температур, близьких до абсолютного нуля. Вчені з Австрії вперше отримали «гарячі» стани кота Шредінгера за температур, що в десятки разів перевищують стандартні умови для подібних експериментів. Кіт Шредінгера — уявний експеримент, у якому квантовий об’єкт одночасно знаходиться у двох станах: фігурально він і живий, і мертвий. У реальних дослідах аналоги таких станів виробляють в атомах, молекулах або електромагнітних резонаторах.

До цього часу для цього потрібно було охолоджувати систему майже до абсолютного нуля, щоб мінімізувати перешкоди. Однак багато систем — від наномеханічних осциляторів до частинок у пастках — складно охолодити до таких температур. Нова наукова робота, опублікована в журналі Science Advances, показала, що квантові явища можливі без екстремального охолодження.

Група дослідників провела експеримент із використанням надпровідного кубіту та мікрохвильового резонатора. Вчені створили «гарячі» стани кота Шредінгера — квантові суперпозиції зміщених теплових станів — за температури резонатора до 1,8 кельвіна. Це в 60 разів вище за температуру навколишнього середовища в установці.

Квантові суперпозиції зміщених теплових станів спрощено можна порівняти з гітарною струною. Якщо її нагріти, вона почне вібрувати випадково через теплові коливання — це тепловий стан. Тепер припустимо, струну різко смикнули у двох протилежних напрямках одночасно. Вона почне вагатися вліво і вправо одночасно — це квантова суперпозиція.

Надпровідний кубіт у такій системі грав роль мініатюрного перемикача для керування мікрохвильовим резонатором. Спеціальними імпульсами фізики «штовхали» фотони в резонаторі у два протилежні напрями, створюючи два зміщені стани. Для їх генерації застосували два протоколи: echoed conditional displacement (ECD) та qcMAP. Обидва методи раніше використовували для створення холодних котів Шредінгера з основного стану системи. У новому експерименті протоколи адаптували до роботи з тепловими станами.

Ключовим кроком став поділ фоківських розподілів (стану із заданим числом фотонів) вихідного теплового стану та зміщеного стану за допомогою керуючих імпульсів. Це розділило тепловий «фон» та зміщені стани, що критично важливо для спостереження інтерференції. Без такого поділу теплові фотони «замилили» квантові ефекти.

Вимірювання функції Вігнера  – інструмента для візуалізації квантових станів – підтвердили наявність інтерференційних патернів з негативними значеннями. Це прямий доказ квантової суперпозиції. Навіть при початковій чистоті стану всього 6%, що відповідає 7,6 теплового фотону в резонаторі інтерференція зберігалася.

Цікаво, що протоколи ECD та qcMAP, які для «холодних» станів дають ідентичні результати, під час роботи з тепловими станами згенерували різні інтерференційні картини. Наприклад, у випадку ECD амплітуда коливань зменшувалася зі зростанням температури, а qcMAP зберігалася довше, незважаючи на збільшення теплових збуджень.

Температура перестає бути перешкодою, якщо у системі є необхідні взаємодії. Раніше вважалося, що квантові ефекти «тонуть» у тепловому шумі. Автори нової роботи показали, що навіть у «галасливій» системі можна виділити суперпозицію — як розрізнити два голоси в натовпі, що кричить. Це відкриває шлях до використання квантових ефектів у системах, де досягнення основного стану технічно неможливе. Наприклад, у наномеханічних осциляторах або левітуючих частинках.