Stany kwantowe można przygotować i obserwować tylko w wysoce kontrolowanych warunkach. Zespół badawczy z Innsbruck w Austrii, udało się teraz stworzyć tak zwane gorące stany CAT Schrödinger w nadprzewodzącym rezonorze mikrofalowym. Badanie, niedawno opublikowane w Science Advances, pokazuje, że zjawiska kwantowe można również zaobserwować i stosować w mniej idealnych, cieplejszych warunkach.
Schrödinger States CAT są fascynującym zjawiskiem w fizyce kwantowej, w której obiekt kwantowy istnieje jednocześnie w dwóch różnych stanach. W eksperymencie myślowym Erwin Schrödingera jest to kot żywy i martwy. W prawdziwych eksperymentach taka równoczesność zaobserwowano w lokalizacjach atomów i cząsteczek oraz w oscylacjach rezonatorów elektromagnetycznych. Wcześniej te analogi do eksperymentu myślowego Schrödingera zostały stworzone przez pierwsze chłodzenie obiektu kwantowego do jego stanu podstawowego, stanu o najniższej możliwej energii. Teraz naukowcy pod przewodnictwem Gerharda Kirchmaira i Oriol Romero-Isart po raz pierwszy wykazali, że rzeczywiście możliwe jest stworzenie superpozycji kwantowych ze stanów wzbudzonych termicznie. „Schrödinger objął także życie, tj.„ Gorący ”kot w swoim eksperymencie myślowym”, zauważa Gerharda Kirchmair z Departamentu Physics Physics na University of Innsbruck i Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) Austriackiej Akademii Nauk (Öaw). „Chcieliśmy wiedzieć, czy te efekty kwantowe można również wygenerować, jeśli nie zaczniemy od„ zimnego ”stanu podstawowego”, mówi Kirchmair.
W swoich badaniach opublikowanych w Science Advances naukowcy wykorzystali qubit transonowych w rezonatorze mikrofalowym do generowania stanów CAT. Udało im się stworzyć superpozycje kwantowe w temperaturach do 1,8 Kelvina – czyli sześćdziesiąt razy cieplejszy niż temperatura otoczenia w jamie. „Nasze wyniki pokazują, że możliwe jest generowanie wysoce mieszanych stanów kwantowych o różnych właściwościach kwantowych”, wyjaśnia Ian Yang, który przeprowadził eksperymenty zgłoszone w badaniu.
Naukowcy wykorzystali dwa specjalne protokoły do stworzenia gorących stanów CAT Schrödinger. Protokoły te były wcześniej używane do produkcji stanów CAT, zaczynając od stanu podstawowego systemu. „Okazało się, że dostosowane protokoły działają również w wyższych temperaturach, generując odrębne zakłócenia kwantowe”, mówi Oriol Romero-Isart, do niedawna profil fizyki teoretycznej na University of Innsbruck i lider grupy badawczej w Iqoqi Innsbruck oraz od 2024 r. Dyrektor ICFO. „Otwiera to nowe możliwości tworzenia i wykorzystania superpozycji kwantowych, na przykład w oscylatorach nanomechanicznych, dla których osiągnięcie stanu podstawowego może być technicznie trudne”.
„Wielu naszych kolegów było zaskoczonych, gdy po raz pierwszy opowiedzieliśmy im o naszych wynikach, ponieważ zwykle myślimy o temperaturze jako o czymś, co niszczy efekty kwantowe” – dodaje Thomas Agrenius, który pomógł rozwinąć teoretyczne zrozumienie eksperymentu. „Nasze pomiary potwierdzają, że zakłócenia kwantowe mogą utrzymywać się nawet w wysokiej temperaturze”.
Te wyniki badań mogą przynieść korzyści opracowaniu technologii kwantowych. „Nasza praca ujawnia, że możliwe jest obserwowanie i użycie zjawisk kwantowych nawet w mniej idealnych, cieplejszych środowiskach”, podkreśla Gerhard Kirchmair. „Jeśli możemy stworzyć niezbędne interakcje w systemie, temperatura ostatecznie nie ma znaczenia”.
Badanie zostało sfinansowane między innymi przez austriackiego funduszu badawczego i Unii Europejskiej.