Вчені вперше створили «гарячі» стани кота Шредінгера у квантовій фізиці

Стани кота Шредінгера — це захоплююче явище у квантовій фізиці, коли квантовий об'єкт одночасно існує у двох різних станах. У відомому уявному експерименті Ервіна Шредінгера фігурує кіт, який водночас мертвий і живий. У реальних наукових дослідженнях таку одночасність спостерігали у розташуванні атомів і молекул та в коливаннях електромагнітних резонаторів.

Раніше ці аналоги мисленнєвого експерименту Шредінгера створювали, попередньо охолоджуючи квантовий об'єкт до його основного стану — стану з найнижчою можливою енергією. Проте тепер науковці під керівництвом Герхарда Кірхмаєра та Оріола Ромеро-Ісарта вперше продемонстрували, що можна створювати квантові суперпозиції з термічно збуджених станів.

«Шредінгер також припускав живого, тобто „гарячого“ кота у своєму уявному експерименті», — зазначає Кірхмаєр з кафедри експериментальної фізики Університету Інсбрука та Інституту квантової оптики та квантової інформації (IQOQI) Австрійської академії наук (ÖAW). «Ми хотіли дізнатися, чи можна генерувати ці квантові ефекти, якщо ми не починаємо з „холодного“ основного стану», — пояснює він.

У своєму дослідженні науковці використали трансмон-кубіт у мікрохвильовому резонаторі для генерації станів кота. Їм вдалося створити квантові суперпозиції при температурах до 1,8 Кельвіна — що в 60 разів тепліше за навколишню температуру в порожнині.

«Наші результати показують, що можливо генерувати високозмішані квантові стани з виразними квантовими властивостями», — пояснює Ян Янг, який проводив експерименти, описані в дослідженні.

Дослідники використали два спеціальні протоколи для створення гарячих станів кота Шредінгера. Ці протоколи раніше застосовувалися для отримання станів кота, починаючи з основного стану системи. «Виявилося, що адаптовані протоколи також працюють при вищих температурах, генеруючи виразні квантові інтерференції», — говорить Оріол Ромеро-Ісарт, донедавна професор теоретичної фізики в Університеті Інсбрука та керівник дослідницької групи в IQOQI Інсбрук, а з 2024 року — директор ICFO — Інституту фотонних наук у Барселоні.

«Це відкриває нові можливості для створення та використання квантових суперпозицій, наприклад, у наномеханічних осциляторах, для яких досягнення основного стану може бути технічно складним завданням».

«Багато наших колег були здивовані, коли ми вперше розповіли їм про наші результати, тому що ми зазвичай вважаємо температуру чимось, що руйнує квантові ефекти», — додає Томас Агреніус, який допомагав розробляти теоретичне розуміння експерименту. «Наші вимірювання підтверджують, що квантова інтерференція може зберігатися навіть при високих температурах».

Ці наукові відкриття можуть принести користь розвитку квантових технологій. «Наша робота розкриває, що можливо спостерігати та використовувати квантові явища навіть у менш ідеальних, тепліших середовищах», — підкреслює Кірхмаєр. «Якщо ми можемо створити необхідні взаємодії в системі, температура врешті-решт не має значення».