Пылинка, которая движется в обе стороны сразу

Оригинал: "Mesoscopic mechanical superpositions by gluing individual quantum systems"
· Thiago Guerreiro
arXiv:2607.20195 · 2026-07-22 · CC BY 4.0 · 1 мин
Один электрон, который ещё не решил, когда ему прилететь, заставляет левитирующую наночастицу колебаться влево и вправо одновременно.

Если бы бегун мог получить эстафетную палочку сразу в двух местах, он побежал бы в две стороны одновременно. С частицей, парящей в луче лазера, происходит нечто подобное. Одиночный электрон, который находится в суперпозиции двух моментов прилёта, сталкивается с ней и передаёт ей свою неопределённость. Теперь частица движется влево и вправо одновременно.

Электрон готовят так, что он как будто прилетает и раньше, и позже. В момент столкновения он прилипает к частице, а короткий электрический импульс даёт частице толчок. Если электрон прибыл раньше, толчок в одну сторону, если позже — в противоположную.

Всё происходит очень быстро: электрическое поле переключается за 100 наносекунд, а частица за это время не успевает сдвинуться. Поэтому её состояние остаётся квантовым.

Через половину периода колебаний частицу измеряют, и повторяя эксперимент много раз, видят интерференционную картину — узор из полос, который доказывает, что частица действительно была в двух состояниях сразу.

Раньше, чтобы получить такое состояние, частицу нужно было растягивать в пространстве, но это быстро разрушало квантовые свойства. Новый способ проще: электрон сам по себе уже находится в суперпозиции, и он передаёт её частице при столкновении. Если такой эксперимент удастся, можно будет проверять квантовые законы на объектах, которые в пять раз тяжелее нынешних рекордсменов.

Частица радиусом 50 нанометров содержит около $10^{10}$ атомов, а масса превышает массу электрона в $10^{12}$ раз. Тем не менее один-единственный электрон способен перевести её в квантовую суперпозицию двух различных импульсов. Для сравнения: это как если бы столкновение с пылинкой заставило футбольный мяч одновременно лететь в двух противоположных направлениях.

Идея макроскопической квантовой суперпозиции перекликается с мысленным экспериментом Шрёдингера о коте, который одновременно жив и мёртв. В рассказе Теда Чана «История твоей жизни» (и фильме «Прибытие») инопланетяне воспринимают время нелинейно, что напоминает состояние time-bin, где электрон находится в суперпозиции двух моментов прилёта.

|\psi_{e^-}\rangle = \frac{|t_e\rangle + e^{i\phi}|t_\ell\rangle}{\sqrt{2}}
Электрон находится в суперпозиции раннего и позднего прилёта с относительной фазой φ.
|\psi_0\rangle = \mathcal{N}\left(e^{i\delta p \hat{x}/\hbar} + e^{i\phi}e^{-i\delta p \hat{x}/\hbar}\right)|0\rangle
Суперпозиция двух когерентных состояний с противоположными импульсами ±δp.
P_{\Delta x}(\phi, x) = \mathcal{N}^2 \left(A + B\cos\phi + C\sin\phi\right)
Вероятность найти частицу в интервале шириной Δx зависит от фазы φ через коэффициенты A, B, C, которые учитывают декогеренцию.
Учёные
David DeutschErwin SchrödingerJohn Stewart BellLouis de BroglieLov GroverPaul Benioff
Понятия
кот Шрёдингера состояние кота Шрёдингера суперпозиция макроскопическая суперпозиция уравнение Шрёдингера полупроводниковые кубиты плетение интерферометр Маха–Цендера оптическая микроскопия магнитный узор модель гейзенберга магнитооптическая микроскопия квантовая оптомеханика конструкция Фельдмана-Кузинса синтетические изображения метрика Шварцшильда обучение цифрового двойника геометрическое ограничение интерференция квантовых часов полуклассический