Квантовий прорив: вчені створили «кота Шредінгера» з рекордною тривалістю життя

Дослідницька група під керівництвом професора Чженгтіана Лу та дослідника Тіана Сіа з Університету науки і технологій Китаю (USTC) успішно створила квантовий стан з тривалістю життя в масштабі хвилин, використовуючи оптично захоплені холодні атоми. Цей прорив значно підвищує чутливість вимірювань квантової метрології. Їхні відкриття опубліковані в престижному науковому журналі Nature Photonics.

У квантовій метрології спін частинок слугує потужним інструментом для вимірювання магнітних полів, інерції та різноманітних фізичних явищ. Ця технологія також має потенціал для виявлення нової фізики поза межами Стандартної моделі. Високоспіновий стан «кота Шредінгера», що являє собою суперпозицію двох максимально протилежних спінових станів, пропонує унікальні переваги для точних спінових вимірювань.

Високе квантове число спіну підсилює сигнал частоти прецесії, покращуючи роздільну здатність вимірювань. Крім того, стани «кота» демонструють стійкість до певних зовнішніх збурень, зменшуючи шум вимірювань. Однак ключовим викликом у експериментальних застосуваннях є підтримка тривалих часів когерентності, які є вирішальними для практичного використання станів «кота» у точних вимірюваннях.

Для розв'язання цієї проблеми дослідницька група спочатку захопила атоми 173Yb зі спіном 5/2 в оптичній ґратці. Контролюючи лазерні імпульси для індукування нелінійних світлових зсувів на основних станах атомів, вони успішно підготували стан суперпозиції, що складається з двох спінових проекцій, +5/2 та -5/2. Цей стан, а саме стан «кота Шредінгера», демонструє підвищену чутливість до магнітного поля і зазнає ідентичних світлових зсувів в оптичній ґратці, перебуваючи в підпросторі, вільному від декогеренції. Тому він несприйнятливий до шуму інтенсивності та просторових варіацій ґратки.

Експериментальні результати показали, що час когерентності цього стану «кота» перевищував 20 хвилин. Використовуючи інтерферометрію Ремсі, дослідники підтвердили, що чутливість вимірювання фази наближалася до межі Гейзенберга.

Цей довгоживучий стан «кота Шредінгера» відкриває новий шлях для атомної магнітометрії, квантових обчислень та дослідження нової фізики за межами Стандартної моделі. Експерти вважають, що подібні квантові стани можуть стати основою для нового покоління надточних вимірювальних приладів та квантових комп'ютерів.

Досягнення китайських вчених демонструє значний прогрес у підтримці квантової когерентності — однієї з найбільших перешкод на шляху до практичного застосування квантових технологій. Збільшення часу життя квантових станів з мілісекунд до хвилин є революційним кроком, який може прискорити розвиток квантових технологій та їх впровадження в різноманітні галузі науки та промисловості.

Концепція «кота Шредінгера», яка спочатку була запропонована Ервіном Шредінгером як уявний експеримент для ілюстрації парадоксальної природи квантової механіки, сьогодні стала реальним інструментом для передових наукових досліджень. Цей відомий уявний експеримент передбачає кота, який може бути одночасно живим і мертвим до моменту спостереження — поняття, що відображає квантову суперпозицію на макроскопічному рівні.

Дане дослідження також підкреслює зростаючу роль Китаю у глобальному квантовому змаганні, де різні країни намагаються досягти переваг у цій стратегічно важливій галузі. Університет науки й технологій Китаю вже не вперше демонструє значні досягнення у квантовій фізиці, підтверджуючи свій статус одного з провідних світових центрів квантових досліджень.