состояние кота Шрёдингера

При низких температурах многие материалы становятся сверхпроводниками — электрический ток течёт без сопротивления. Но как возникает это состояние, если электроны сначала были заперты в изоляторе? Полвека назад Филип Андерсон предположил, что ответ кроется в особом квантовом танце частиц.

В шумном зале переводчик пытается уловить каждое слово, но шорохи и эхо путают смысл. Примерно так же обычные компьютерные методы считают сложные квантовые системы: чем больше частиц и сильнее их связи, тем быстрее расчёты тонут в помехах. Группа физиков предложила новый подход — «Генератор Шрёдингера».

Переход Джозефсона — это мостик из сверхпроводника, разделённый тончайшей изолирующей прослойкой. Через него течёт ток, даже если нет напряжения. Но когда ток становится слишком большим, мостик начинает колебаться, и на графике напряжения проступают ровные ступеньки — шаги Шапиро. Между этими ступеньками прячутся невидимые щели, где система ведёт себя странно. Раньше их считали просто математическим курьёзом.

Горизонт чёрной дыры — не стена, а скорее односторонняя мембрана. Всё, что пересекает её, исчезает навсегда. Стивен Хокинг показал, что эта граница должна слабо светиться, испуская частицы. Но поймать такое свечение от настоящей дыры невозможно — слишком далеко и тускло. Физики нашли обходной путь: построить «игрушечную» чёрную дыру из магнитных атомов.

Представьте, что вы пытаетесь сфотографировать крылья колибри обычной камерой — получится лишь размытое пятно. Чтобы запечатлеть их чётко, делают множество быстрых кадров с разных ракурсов и объединяют в одно изображение.

Квантовая кошка — особое состояние света, идею которого предложил Эрвин Шрёдингер в своём знаменитом мысленном эксперименте.

Обычный магнит похож на компас: его стрелка указывает на север. Но квантовый компас способен смотреть в оба направления разом. Если парящий в вакууме магнит осторожно раскрутить, его «волчки»-электроны синхронизируются так, что весь кусок металла начинает жить по законам микромира — замирает в суперпозиции, словно раздвоенный указатель.

Даже в состоянии полного покоя атомы испускают слабый шум — неизбежную квантовую дрожь, предсказанную ещё в споре Эйнштейна и Бора.

Длинная цепочка атомов, и каждый — крошечный магнитик. Они переговариваются друг с другом и с общим полем, словно музыканты в оркестре, которые слышат и дирижёра, и соседей. Когда внешнее поле меняется, оркестр либо играет вразнобой, либо все инструменты вступают синхронно — это и есть квантовый фазовый переход. Обычно такой переход плавный, как постепенное усиление звука.

Физики предложили эксперимент, в котором лазерный луч выступает в роли квантового детектора — устройства, способного регистрировать квантовые эффекты, — и расщепляется на два луча, подобных паре ушей.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а вместе они создают сложную мелодию, — так выглядит облако атомов, чьи спины (собственные вращения, словно крошечные волчки) колеблются согласованно. Обычно эти волчки ведут себя независимо. Но стоит поместить их между двумя зеркалами и осветить — и происходит удивительное: свет и атомы начинают «петь» в унисон, запутываясь друг с другом.

На футбольном стадионе эмоции толпы складываются из разговоров отдельных болельщиков. Если бы настроение могло быть одновременно радостным и грустным, возникла бы квантовая суперпозиция. Но шёпот тысяч голосов мгновенно переводит эту смесь в одно определённое состояние.

Массивный наноалмаз в квантовом интерферометре раздваивается, натягивая на себя две реальности. Его гравитация — ничтожная, почти неощутимая — возбуждает квантовое поле вакуума, и рождаются когерентные облака гравитонов. Это гравитационные тени, отбрасываемые каждым положением массы.

Кастрюля воды закипает, и молекулы пускаются в хаотичный пляс. Остановить это мгновение и заморозить танец невозможно, но в квантовом мире есть обходной путь: можно создать «двойника» системы, который хранит всю информацию о её тепловом состоянии.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию. Если дирижёр даёт сбой, музыка рассыпается. В цифровых квантовых симуляциях роль дирижёра играет последовательность простых операций, а ошибки накапливаются, как фальшивые ноты. Но иногда оркестр звучит чисто, даже если дирижёр не идеален. Авторы статьи нашли объяснение такому везению.

Лазерный луч, проходя через нелинейный кристалл, способный удваивать частоту света (превращая, скажем, красный в синий), спонтанно переходит в состояние «кота Шрёдингера» — квантовую суперпозицию двух макроскопически различимых состояний.

Физики использовали квантовый компьютер Ричарда Фейнмана — устройство, оперирующее кубитами вместо классических битов, — чтобы проследить за 28 квантовыми волчками. Так образно называют частицы, обладающие спином — собственным моментом вращения, фундаментальным свойством вроде заряда.

Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера с котом демонстрирует парадокс квантовой суперпозиции: по законам микромира кот может быть одновременно жив и мёртв. Но попробуйте проделать то же самое со столом — и квантовая неопределённость исчезнет. Почему?

В микромире всегда присутствует шум. Даже в абсолютной пустоте что-то дрожит, и эти квантовые колебания, предсказанные принципом неопределённости Гейзенберга, мешают точным измерениям. Но шум можно «сжать», словно надувной шарик: если стиснуть его с боков, одна сторона станет тоньше, зато другая распухнет.

Фотон можно представить как автомобиль на многоэтажной парковке, где каждый этаж соответствует его частоте (цвету). В обычных условиях он «застревает» на одном уровне, но исследователи внедрили «лифт» — программируемый модулятор, который по команде перемещает фотон между этажами.

Маятник качается сразу влево и вправо. Такое «двойное» состояние в мире атомов называют котом Шрёдингера: частица живёт в двух разных состояниях одновременно, как кот из мысленного эксперимента — и жив, и мёртв. Учёные нашли способ собирать такие состояния из множества атомов с помощью коротких импульсов света.

Свет, запертый в крошечной полости, похож на маятник, который толкают всё сильнее. Сначала он качается плавно и предсказуемо, как обычные часы. Но если раскачать его достаточно сильно, движение становится странным: маятник словно оказывается в двух крайних точках одновременно.

Кот Шрёдингера обычно прячется в мысленных экспериментах — живой и мёртвый одновременно. На этот раз его поймали в лаборатории: световой импульс заставили быть сразу в двух противоположных состояниях, как монету, зависшую в воздухе орлом и решкой разом.

Кубики льда в стакане тают, и вода перемешивается сама собой. Так ведут себя многие квантовые системы: частицы обмениваются энергией, и через какое-то время порядок исчезает. Но если в стакан добавить ложку мёда, перемешивание замедлится, а при сильном холоде вода застынет в стекло — без кристаллической решётки, но и без текучести.

В мире атомов любое внешнее воздействие способно превратить стройный порядок в хаос. Обычно потери энергии лишь увеличивают энтропию — меру беспорядка в системе. Но физики обнаружили обратное: иногда потери помогают системе сохранять стабильность.

Квантовая частица, например электрон, может находиться в суперпозиции — быть в двух местах одновременно, — но макроскопические объекты никогда не демонстрируют такого поведения.

Представьте сто двадцать музыкантов, играющих в унисон так, что малейшая фальшь разрушает гармонию. Эта метафора описывает рекордный квантовый ансамбль: физики впервые запутали 120 сверхпроводящих кубитов — базовых элементов будущего квантового компьютера.

В лаборатории время обычно тикает на стене: стрелки, цифры, стандарт частоты. Но для Вселенной внешних часов нет. Уравнение Уилера–ДеВитта, главный закон квантовой гравитации, вообще не содержит времени, а все фундаментальные теории не имеют встроенной стрелы времени.

Резонатор колеблется с частотой 100 мегагерц, а его механическое затухание — всего 15 герц. Это как колокол, который звенит тысячи лет после одного удара. Рядом с ним — кубит, квантовый двухуровневый элемент, который затухает за миллисекунды. Именно этот контраст времён жизни открывает дверь к коту Шрёдингера.