Швейцарские физики смогли перевести объект массой 16 микрограмм в состояние кота Шрёдингера. Для этого они связывали сверхпроводящих кубит с пьезоэлементом, прикрепленным к кристаллу толщиной чуть менее полмиллиметра, в котором тот возбуждал неклассическую акустическую стоячую волну. Исследование опубликовано в Science.
Помещение объектов с как можно большим размером в состояние квантовой суперпозиции — это актуальная задача физики последнего времени. Так ученые исследуют причины и природу декогеренции, которая не позволяет наблюдать квантовую суперпозицию в повседневном опыте.
Особый интерес представляет достижение состояний кота Шрёдингера или просто кошачьих состояний. Этим термином, отсылающим к знаменитому мысленному эксперименту, называют суперпозицию двух или более классических состояний некоторой системы. Важное свойство состояния кота Шрёдингера заключается в том, что составляющие его классические состояния соответствуют принципиально далеким друг от друга значениям некоторой физической наблюдаемой.
В квантовой оптике или акустике примером кошачьих состояний можно назвать неклассические полевые состояния, разложимые по сумме классических распределений. Этот же термин применяют и к кубитам, находящихся в суперпозиции когерентных состояний с противоположными фазами.
Группа физиков из Швейцарской высшей технической школы Цюриха во главе с И Вэнь Чу (Yiwen Chu) давно пытается перевести в состояние кота Шрёдингера макроскопический объект — кусок кристалла, в котором возбуждена звуковая волна. Месяц назад у них в соавторстве с коллегами из других стран вышла статья, в которой они рассказали, как именно им удалось добиться неклассических состояний, в том числе и суперпозиционных, для акустического резонатора массой в один микрограмм. В новой статье, отправленной в Science почти одновременно с предыдущей, авторы сообщают о достижении кошачьих состояний в резонаторе, чью массу они оценили в 16 микрограмм.
Установка, использованная в этом исследовании, в целом, повторяет таковую, описанную в предыдущей новости. Физики работали с сапфировой пластиной толщиной 435 микрометров, на одну сторону которой они прикрепляли пьезоэлемент диаметром несколько десятком микрометров. Далее они связывали пьезоэлемент с сверхпроводящим кубитом емкостной связью. Кубит был нужен как для возбуждения фононных мод с нужными квантовыми свойствами, так и для считывания и томографии получающихся состояний.
Ключевое отличие текущего исследования — это реализованное состояние. Оно представляло собой суперпозицию классических колебаний с одинаковой частотой, но с фазами, отличающимися на π. Другими словами, атомы кристалла под действием такого звука колебались одновременно в противоположные стороны, чего нельзя себе представить в классической картине мира.
Чтобы охарактеризовать получающиеся состояния, авторы извлекали из результатов квантовой томографии функцию Вигнера. Ее измерение для различных времен связи показало, что для некоторых оптимальных условий квазивероятностное распределение обладает двумя ярко выраженными максимумами по разные стороны от начала координат — в пространстве между ними физики увидели характерные интерференционные полосы.
Ученые также проверили, как декогеренция кошачьего состояния зависит от его «размера», то есть расстояния между пиками функции Вигнера. Время жизни «кота» ожидаемо уменьшалось с ростом этого параметра.
Другая новизна работы заключалась в оценке массы тела, переведенного в состояние суперпозиции. Если в предыдущей работе физики оценивали для этого объем области, в которой был сконцентрирован звук, и через плотность вычисляли массу, то в этот раз они заменили трехмерный резонатор одномерным гармоническим осциллятором. Его эффективная масса при этом выросла в 16 раз.
Переход к эффективным объектам часто используется физиками, в том числе и в задачах о счете квантов звука в массивных телах. Ранее мы рассказывали, как ученые из коллаборации LIGO охладили 40-килограммовые зеркала своего интерферометра до температуры 77 нанокельвин. Они характеризовали их с помощью одного эффективного тела массой 10 килограмм, в котором насчитали 11 фононов.