«Кіт Шредінгера» більше не сам: фізики створили нові екзотичні квантові стани, які можуть змінити майбутнє технологій
Майже 90 років знаменитий «кіт Шредінгера» залишається одним із найвідоміших символів квантової фізики. Цей уявний експеримент допомагав пояснювати дивну поведінку елементарних частинок, які можуть перебувати відразу в кількох станах. Проте тепер дослідники зробили важливий крок уперед, показавши, що реальний світ квантової механіки набагато складніший, ніж знаменитий приклад із котом, який одночасно живий і мертвий.
Науковці з Оксфордського університету вперше змогли експериментально створити цілу низку нових, набагато складніших квантових суперпозицій. Відкриття не лише розширює наше розуміння фундаментальної фізики, а й може стати основою для створення потужніших квантових комп’ютерів нового покоління.
Ідею «кота Шредінгера» австрійський фізик Ервін Шредінгер запропонував ще у 1935 році. Він придумав мисленний експеримент, щоб показати, наскільки незвичними є закони квантового світу.
За сценарієм у закритій коробці знаходяться кіт, радіоактивний атом, лічильник Гейгера, колба з отрутою та механізм, який розбиває колбу, якщо атом розпадеться. Імовірність такого розпаду становить 50%.
Поки коробку не відкрили, неможливо визначити, чи стався розпад. Відповідно, з точки зору квантової механіки кіт перебуває одночасно у двох станах — живий і мертвий. Лише момент спостереження змушує систему «обрати» один із можливих варіантів.
Насправді цей приклад ніколи не стосувався котів. Він лише демонстрував явище квантової суперпозиції — здатності частинок одночасно існувати в кількох можливих станах, поки не буде проведено вимірювання. Саме ця властивість лежить в основі сучасних квантових технологій.
Нове дослідження показало, що відома модель із двома можливими станами — лише найпростіший випадок набагато складнішої картини.
Команда фізиків використала окремий іон стронцію-88, який утримували у спеціальній іонній пастці. Вчені змогли одночасно керувати двома його характеристиками: внутрішнім квантовим станом та рухом самого іона.
Завдяки цьому вдалося сформувати суперпозиції, які вже не обмежуються лише двома альтернативними варіантами. Фактично дослідники отримали можливість створювати складні квантові структури з різною геометрією, симетрією та характером взаємодії.
За словами керівника дослідження Себастіана Занера, новий метод дозволяє буквально «ліпити» квантові суперпозиції майже будь-якої форми. Під час експериментів учені спостерігали незвичайні геометричні інтерференційні візерунки та стани з різними типами квантового стискання, серед яких так звані squeezed, trisqueezed і quadsqueezed-стани. Усі вони існували одночасно в межах єдиної суперпозиції.
Простіше кажучи, якщо класичний приклад із котом демонстрував лише два можливих сценарії, то нові експерименти відкривають цілий «ландшафт» набагато складніших квантових конфігурацій. Це відкриття має не лише фундаментальне значення. Воно може серйозно вплинути на розвиток квантових комп’ютерів.
Сучасні квантові обчислювальні системи використовують кубіти — аналоги звичайних бітів, які можуть перебувати відразу у двох станах. Проте саме нестабільність квантових систем залишається головною проблемою для створення великих і надійних квантових машин.
Нові типи суперпозицій потенційно дозволять зберігати більше інформації в одному квантовому елементі, а також ефективніше виправляти помилки, які сьогодні суттєво обмежують продуктивність квантових процесорів.
Дослідники вважають, що майбутні квантові пристрої можуть використовувати набагато складніші стани, ніж ті, що застосовуються зараз. Свого часу відомий фізик Річард Фейнман говорив, що ніхто по-справжньому не розуміє квантову механіку. Минуло понад пів століття, але ця фраза й досі залишається актуальною.
Кожне нове відкриття демонструє, що квантовий світ приховує набагато більше загадок, ніж здавалося раніше. Водночас саме ці дивні закони природи можуть стати основою майбутніх технологій — від надпотужних комп’ютерів і захищених систем зв’язку до принципово нових методів моделювання складних фізичних процесів.
І хоча знаменитий «кіт Шредінгера» ще довго залишатиметься найвідомішою ілюстрацією квантової механіки, тепер стало зрозуміло: він був лише першим кроком у значно складнішому й набагато дивовижнішому квантовому світі.