Холодные атомы открывают новую эру в квантовых исследованиях

Группа китайских учёных из Научно-технологического университета Китая под руководством профессора Лу Чжэнтяня совершила прорыв в квантовой физике. Им удалось создать квантовый аналог знаменитого кота Шрёдингера, используя атомы иттербия-173, и достичь беспрецедентного времени жизни суперпозиции - около 23 минут. Это открытие, опубликованное в журнале Nature Photonics, открывает новые перспективы в разработке высокоточных измерительных приборов и квантовых компьютеров.

Исследователи разработали методику, позволяющую преодолеть стандартный квантовый предел точности (SQL), обусловленный принципом неопределённости Гейзенберга. Этот принцип ограничивает точность одновременного измерения некоторых пар физических величин, таких как положение и импульс частицы. Учёные использовали явления квантовой запутанности, где атомы находятся в суперпозиции состояний, аналогичной "живому" и "мёртвому" коту Шрёдингера. Такая запутанность позволяет проводить высокоточные измерения.

Ключевым моментом стало создание условий, обеспечивающих длительное существование квантовой суперпозиции. Обычно, квантовые состояния быстро декогерируют из-за взаимодействия с окружающей средой. Китайские физики решили эту проблему, используя оптические ловушки для удержания атомов иттербия при температурах, близких к абсолютному нулю. Серия точно рассчитанных лазерных импульсов "запутывает" атомы, создавая стабильную суперпозицию.

В результате, "иттербиевый кот Шрёдингера" сохраняет своё квантовое состояние в течение 23 минут, позволяя измерять магнитные поля с точностью, в 3,2 раза превышающей SQL. Это значительно расширяет возможности атомных магнетометров, делая их непревзойдёнными по чувствительности.

Разработанная технология имеет потенциал для создания новых типов квантовых сенсоров, элементов квантовой памяти, многоуровневых кубитов и систем коррекции ошибок для квантовых компьютеров. Это значительный шаг в направлении создания более мощных и надёжных квантовых вычислительных систем.

Мысленный эксперимент, предложенный Эрвином Шрёдингером в 1935 году, иллюстрирует парадоксальность квантовой механики. В нём кот помещается в закрытый ящик вместе с устройством, которое может убить кота в зависимости от состояния радиоактивного атома. До открытия ящика, согласно квантовой механике, кот находится одновременно в состояниях "живой" и "мёртвый", что подчёркивает неинтуитивность квантовой суперпозиции. Множество экспериментов подтвердило существование подобных квантовых суперпозиций в микромире.

Фото: Wikimedia Commons/https://pixabay.com/illustrations/physics-quantum-physics-particles-3871216/ , Геральт - geralt / 21281 изображение на сайте Pixabay , ( Creative Commons посвящается CC0 1.0 )