Край квантового мира приблизился к нашей реальности

Эксперимент, проведённый международной группой исследователей, продемонстрировал квантовые эффекты для самых крупных объектов из когда-либо изучавшихся. Речь идёт о наночастицах натрия, каждая из которых содержит более 7000 атомов и сопоставима по размеру с некоторыми вирусами. Это достижение расширяет границы применимости законов квантовой механики и ставит новые вопросы о природе перехода между квантовым и классическим мирами.

В основе работы лежит классический мысленный эксперимент, предложенный Эрвином Шрёдингером в 1935 году. Учёный представил кошку, находящуюся в суперпозиции состояний «жива» и «мертва», чтобы проиллюстрировать парадоксальность квантовой механики при попытке описать макроскопические объекты. Согласно традиционной точке зрения, крупные объекты не могут находиться в квантовой суперпозиции из-за процесса декогеренции — неизбежного взаимодействия с окружающей средой, которое разрушает хрупкие квантовые состояния. Однако точный масштаб, на котором этот переход происходит, остаётся предметом исследований.

Группа под руководством Себастьяна Педолино из Венского университета провела интерференционный эксперимент с наночастицами натрия. Суть метода аналогична знаменитому опыту с двумя щелями, но вместо света используются материальные частицы. Если объект ведёт себя как волна и находится в суперпозиции, проходя через две «щели» одновременно, то на детекторе возникает характерная интерференционная картина из чередующихся полос. Именно такой сигнал удалось зафиксировать для наночастиц.

Каждая частица демонстрировала суперпозицию двух пространственных состояний, разделённых расстоянием примерно в 16 раз больше её собственного размера. Это означает, что наночастицу можно представить не как локализованную точку, а как «размазанное» облако вероятностей, занимающее значительную область пространства.

Для количественной оценки того, насколько объект проверяет пределы квантовой механики, физики используют параметр «макроскопичность». Эксперимент с наночастицами установил новый рекорд с показателем макроскопичности 15.5, что примерно в 10 раз превышает предыдущие достижения. Как отметил Маттео Фадель из ETH Zürich, это замечательный результат, который расширяет область применимости квантовой механики до систем размером с крупный вирус.

Достижение стало возможным благодаря решению сложных технических задач. Чтобы минимизировать декогеренцию, наночастицы необходимо было изолировать в условиях сверхвысокого вакуума, значительно замедлить и охладить. Как отметил Стефан Нимрихтер из Университета Зигена, этот эксперимент представляет собой не только технологический прорыв, но и важный шаг в фундаментальных исследованиях. Он позволяет проверять альтернативные теории, пытающиеся объяснить, почему квантовые эффекты не наблюдаются в повседневной жизни, и сужает диапазон условий, в которых такие теории могли бы работать.

Учёные ожидают, что в будущем рекорд макроскопичности будет неоднократно побит. Возможная цель — проведение аналогичных экспериментов с биологическими объектами, такими как вирусы. Их интерференционные картины могли бы стать высокочувствительным инструментом для исследования тонких сил, действующих на подобные системы, которые сложно или невозможно измерить традиционными методами.

С практической точки зрения, умение сохранять квантовые состояния у всё более крупных объектов открывает перспективы для развития новых квантовых технологий в области вычислений, моделирования и прецизионных измерений. Таким образом, эксперимент, сдвинувший границу квантового мира, имеет значение как для фундаментального понимания природы, так и для будущих прикладных разработок.