Физики перевели атомы в состояние кота Шредингера: квантовый мир стал ближе к реальности

Физики перевели 7000 атомов в состояние кота Шредингера и побили рекорд по наибольшему количеству макроскопических объектов, наблюдаемых в квантовой суперпозиции. Ученые увидели, как наночастицы из атомов натрия действуют и как частица, и как волна. То есть наночастицы продемонстрировали странное квантовое явление, известное как корпускулярно-волновой дуализм. Результаты этого исследования открывает двери для будущих экспериментов, в которых ученые смогут наблюдать биологические молекулы, такие как вирусы или белки, в квантовой суперпозиции. Это откроет новые возможности для изучения их физических свойств. Исследование опубликовано в журнале Nature, пишет Live Science.

Квантовая суперпозиция и кот Шредингера

В квантовом мире частицы могут одновременно находится в разных состояниях и это странное явление известно как квантовая суперпозиция.

Физик Эрвин Шредингер сравнил это с помещением кота в герметично закрытую коробку, где находится емкость с ядом. Этот яд должен заполнить коробку при распаде радиоактивного источника, поэтому кот в любое время может быть убит, после того, как коробка будет закрыта.

Но пока коробка закрыта кот Шрединегра находится в квантовой суперпозиции, то есть он одновременно и жив, и мертв. Узнать в каком именно состоянии находится кот можно только, если открыть коробку и провести наблюдение за котом. Квантовый мир основан на вероятностях, а потому квантовые частицы в суперпозиции во время наблюдения за ними находятся в одном из возможных состояний. При этом квантовые частицы одновременно ведут себя и как волны, и как частицы, пока за ними не наблюдают.

Таким образом возникает вопрос: где проходит граница между квантовым миром и тем, который мы наблюдаем каждый день, то есть нашей реальность? В какой момент частица начинает вести себя как волна?

Почему мы не видим суперпозицию в реальном мире?

Причина, по которой мы не видим квантовую суперпозицию повсюду, заключается в процессе, который называется декогеренция. Если что-то в квантовой суперпозиции взаимодействует со своей средой, оно декогерируется и перестает находиться одновременно в разных состояниях.

Более крупные объекты постоянно взаимодействуют со своей средой, поэтому они не могут поддерживать квантовую суперпозицию. Таким образом, настоящая проблема при попытке наблюдать более крупные частицы, действующие как волны, заключается в их изоляции, чтобы они могли оставаться в когерентной квантовой суперпозиции.

Квантовый мир стал ближе к нашей реальности, благодаря эксперименту

Физики попытались наблюдать крупные наночастицы натрия в квантовой суперпозиции. Для этого они превратили несколько граммов натрия в пучок наночастиц, который затем направили на узкую щель.

Если бы наночастицы натрия находились в квантовой суперпозиции, это означало бы, что после прохождения через щель они распространялась бы в виде волны. Это привело бы к образованию интерференционной картины. Но, если бы наночастицы декогерировали и начали вести себя как обычные частицы, то натрий прошел бы прямо через щель, и физики увидели бы плоскую линию.

В ходе длительных экспериментов физики получили такую интерференционную картину, которая показала, что наночастицы натрия вели себя одновременно как частицы и как волны.

Ученые определили макроскопичность (величину, описывающую, насколько квантовый объект отклоняется от классического мира) наночастиц натрия, на уровне 15,5, что на порядок превышает предыдущий рекорд макроскопичности для квантовых объектов в суперпозиции.

Это открытие открывает двери для будущих экспериментов, в которых ученые смогут наблюдать биологические материалы, такие как вирусы или белки, в квантовой суперпозиции. Эксперимент приближает это странное квантовое явление к реальному миру.