2000 атомов в двух местах одновременно — новый рекорд в квантовой суперпозиции

Группа ученых из Венского университета и университета Базеля произвела проверку принципа квантовой суперпозиции в самом крупном масштабе за всю историю существования науки. Огромные сложные молекулы, состоящие из двух тысяч атомов, были помещены в состояние суперпозиции, находясь, при этом, в двух местах одновременно, согласно причудливым законам квантовой механики. Данное достижение является весомым подтверждением проявления суперпозиции, которая является «сердцем» всех квантовых технологий, что, в свою очередь, служит серьезным ограничением для дальнейшего развития множества альтернативных теорий.

Иллюстрация делокализации массивных молекул, использованных в эксперименте
© Yaakov Fein, Universität Wien

Напомним нашим читателям, что принцип суперпозиции является одним из основных «столпов» квантовой механики, который является следствием одного из фундаментальных уравнений, уравнения Шредингера. Это уравнение описывает квантовые частицы их волновыми функциями, которые очень похожи на функции, описывающие концентрические волны на поверхности воды. Однако, в отличие от волн на поверхности воды, которые являются проявлением коллективного поведения и взаимодействия множества молекул, квантовые волны могут быть связаны с отдельными частицами.

Одним из примеров волновой природы квантовых частиц является эксперимент с двумя щелями, расположенными очень близко друг к другу, через которые одновременно проходит «волна» одной частицы. Пройдя сквозь щели, волны складываются друг с другом и частица-волна снова приобретает свою целостность. Этот эффект уже был продемонстрирован по отношению к фотонам, электронам, нейтронам и даже отдельным атомам.

В своих экспериментах ученые использовали самую большую из доступных молекул C707H260F908N16S53Zn4, которая состоит в сумме из 40 тысяч протонов, нейтронов и электронов, и обладает массой, равной 25 тысячам атомных масс. Для синтеза таких молекул были использованы специальные методы, которые сделали эти молекулы достаточно стабильными, чтобы из них можно было сформировать луч, направляемый внутрь камеры со сверхглубоким вакуумом. Проверка квантовой природы таких массивных частиц потребовало использования интерферометра, длиной два метра, который имелся в распоряжении Венского университета.

Согласно одной из альтернативных теорий, которая служит своего рода мостом между классической физикой и квантовой механикой, длительность преобладания волновой функции частицы уменьшается прямо пропорционально массе этой частицы. Это, в свою очередь, ограничивает и время пребывания частицы в состоянии квантовой суперпозиции.

В своих экспериментах ученые выяснили, что огромные молекулы находились в состоянии суперпозиции на протяжении 7 миллисекунд времени, достаточно долго для того, чтобы не оставить камня на камне от указанной выше теории и от ряда других альтернативных теорий и моделей.

«Наши эксперименты показали, что квантовая механика, несмотря на все ее странности, четко подчиняется своим же причудливым законом. Это вселяет в нас надежду, что в скором времени нам удастся проверить это все еще в более крупном масштабе» — пишут исследователи, — «И все это вместе делает линию разграничения между классической и квантовой физиками все более и более расплывчатой».

Статья опубликована в журнале Nature Physics   
Источник: dailytechinfo.org