Видимый глазу квантовый эффект
 Резонатор, сконструированный учеными для демонстрации квантового эффекта. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Один из основных принципов квантовой механики заключается в том, что объект может одновременно находиться в двух состояниях. К примеру, электрон, согласно квантовой теории, может быть одновременно в двух точках пространства. Однако, подобной «суперпозиции» квантовых состояний для макрообъектов обычно не наблюдаются. Наиболее очевидный пример этому – знаменитый мысленный эксперимент «кошка Шредингера», которая не может быть одновременно и живой, и мертвой. Суть эксперимента заключается в том, что Шредингер пытался показать неполноту квантовой механики для описания макрообъектов и недостаточное описание этой теорией момента перехода от квантовой к классической физике.
До сих пор любые квантовые эффекты наблюдались для объектов, размеры которых находятся на уровне одного или нескольких атомов. Также удалось поставить соответствующие эксперименты для достаточно больших молекул, к примеру, для фуллерена, состоящего из 60 атомов углерода. Однако, целью ученых уже достаточно давно была демонстрация суперпозиции состояний для объектов гораздо большего размера.
Основная проблема, с которой приходилось сталкиваться на этом пути, - практическая невозможность устранить тепловые колебания атомов в макрообъекте, которые маскируют или вовсе нейтрализуют квантовые явления. Для того чтобы минимизировать этот эффект, даже сравнительно небольшие объекты (ту же молекулу фуллерена) приходилось охлаждать до минимального квантового состояния (минимальной температуры).
Но группа ученых из Калифорнии предложила методику демонстрации явления для существенно большего объекта. Использованный ими объект представляет собой механический резонатор, выполненный из сочетания алюминия и нитрида алюминия. Длина этого объекта – порядка 40 мкм, т.е. он включает в себя приблизительно триллион атомов. При таких размерах объект может быть виден практически невооруженным глазом (при помощи обычного микроскопа).
В предложенном эксперименте круглый диск колеблется с частотой порядка 6 миллиардов циклов в секунду при комнатной температуре. В процессе работы исследователи уменьшают частоту колебаний, охлаждая объект до температуры порядка 0,1 градуса по шкале Кельвина. Высокая частота первоначальных колебаний была ключевым моментом эксперимента, т.к. итоговая температура, до которой требовалось охладить объект, дабы зафиксировать суперпозицию состояний, прямо пропорциональна этой частоте.
После этого команда измерила квантовое состояние резонатора при помощи присоединения к нему квантовой точки (бита или кубита). В данном случае кубит исполняет роль «квантового термометра», способного фиксировать только один квант теплового возмущения (фонон). После фиксации фонона, кубит может передавать его обратно.
Таким образом, была сформирована суперпозиция состояний резонатора, в которой у него одновременно и есть возбуждение, и нет. Выражаясь терминами Шредингера, кот получился одновременно и живым, и мертвым.
Данный эксперимент, вероятно, будет иметь большое значение для дальнейшего развития квантовых теорий. Полученные результаты также могут быть использованы для лучшего понимания границы между квантовой и классической физикой.
Также по теме:
Источники: