Вчені змогли утримати атоми у стані суперпозиції 23 хвилини

Китайські дослідники утримували ізотоп ітербія-173 у стані «кота Шредінгера» понад 20 хвилин. Ця робота наблизила точність вимірювань фазового зсуву квантової системи до теоретично можливої ​​межі.

Метрологія — наука, що займається питаннями вимірювань, їх точності та методів проведення У квантовій  метрології спини частинок виступають інструментом для вимірювання магнітних полів, інерції та інших фізичних явищ.

Китайські фізики зосередилися на вивченні стану «кота Шредінгера» — суперпозиції, що є одночасним існуванням двох протилежно спрямованих і максимально віддалених станів спина в одному атомі. Такий стан атомів має унікальні переваги для проведення точних вимірювань у квантових системах. 

Головним викликом для застосування станів «кота Шредінгера» в експериментах залишається підтримання достатньої тривалості когерентності – стану, в якому збережено суперпозицію спинів та чіткий поділ між їх фазами. 

Щоб подолати цю проблему, наукова група під керівництвом професора Лу Чжентяня ( Lu Zhengtian ) та дослідника Ся Тяня ( Xia Tian ) з Університету науки і технології Китаю ( USTC ) використала приблизно 10 тисяч атомів ізотопу ітербія-173 (¹⁷³Yb), /2). 

Вчені охолодили атоми майже до абсолютного нуля та утримали їх у стабільному положенні за допомогою лазера. У таких умовах квантові стани атомів можна контролювати з високою точністю, і фізики помістили кожен атом у стан суперпозиції з двома дуже далекими спинами: +5/2 та -5/2. 

Стан суперпозиції спинів, кота Шредінгера, демонструє підвищену чутливість до магнітного поля. Крім того, воно стійке до шумів, пов’язаних із випадковими змінами інтенсивності лазерів і просторовими неідеальностями решітки, в яку поміщені ізотопи ітербію-173. 

Зазвичай суперпозиція залишається стабільною мілісекундою, але в цьому експерименті фізикам вдалося утримати стан «кота Шредінгера» понад 20 хвилин. Для підтвердження часу когерентності перевіряли чутливість до фазових зсувів. Фазове зрушення пов’язане з обертанням спинового вектора атомів в суперпозиції. Він призводить до зміни відносної фази між станами, які можна виміряти за допомогою техніки під назвою інтерферометрія Рамсі. 

Результати нової наукової роботи підтвердили, що виміри фази наближаються до межі Гейзенберга. Це теоретично максимально можлива точність вимірювання фази квантових системах, обмежена фундаментальними законами квантової механіки. Така точність підтверджує ефективність використовуваної техніки та стійкість стану «кота Шредінгера». 

Довготривалий стан суперпозиції атомів ітербію-173 відкриває нові перспективи для атомної магнітометрії, квантових обчислень та досліджень фізики за межами Стандартної моделі. Результати дослідження розширюють можливості метрології та технологій, пов’язаних із квантовими обчисленнями та сенсорами. Статтю вчених опубліковано в журналі Nature Photonics .