Фізики, здається, не можуть зупинитися на "підгодівлі" кота Шредінгера.

Теоретичний кіт перетворився з Slinky Malinki на Butterball Brown – і продовжує зростати.

Звісно, не буквально. Фізики намагаються віддалити квантові стани в суперпозиції, намагаючись дізнатися, наскільки близько вони можуть підійти до класичної фізики, перш ніж кіт перестане бути котом Шредінгера.

Тепер вчені в Німеччині створили рекордну оптичну версію знаменитого мисленнєвого експерименту, використовуючи деякі з найстранніших атомів, відомих фізиці.

Використовуючи надзвичайно пухкі атоми, відомі як атоми Рідберга, команда під керівництвом фізика Хендріка Хегелса з Інституту квантової оптики Макса Планка створила кота Шредінгера, який, як описують дослідники, має "світові рекорди" за розміром.

Чим більший кіт, тим більше фізики можуть досліджувати одну з найтриваліших загадок квантової механіки: де саме закінчується квантовий світ і починається наш.

Чим більша квантова суперпозиція, тим більший образний кіт Шредінгера.

Це глибоко заплутане питання.

Квантова механіка надзвичайно точно описує поведінку субатомного світу. Класична фізика також чудово справляється з описом більшого світу, в якому ми живемо щодня. Але спробуйте застосувати правила однієї до іншої, і все стає заплутаним.

Десь є межа, де дивні "можливо" квантової області перетворюються на певності класичної – але як і чому це відбувається, наразі залишається величезним питанням.

Кіт Шредінгера з'явився в 1935 році, але насправді це ніколи не було про кота.

Австрійський фізик Ервін Шредінгер придумав цей мисленнєвий експеримент, щоб проілюструвати, що відбувається, коли дивна квантова концепція суперпозиції розширюється в повсякденний світ.

У його гіпотетичному прикладі кіт запечатаний у коробці з механізмом, який активується випадковою квантовою подією, що може або не може його вбити.

Поки коробка не відкрита і результат не спостережений, квантова механіка описує систему як суперпозицію обох можливостей; кіт одночасно живий і мертвий. Це приклад "дивного, можливо".

У квантовій області суперпозиція – це не абстрактна абсурдність, що стосується домашніх тварин, а реальне явище, яке можна створити і виміряти.

Вчені можуть навіть створювати суперпозиції станів, які досить відрізняються один від одного. Чим більша різниця, тим "більшим" вважається результативний стан кота Шредінгера – уявіть, що одна можливість є викопаним скелетом, а інша – котом, що танцює, а не просто мертвим і живим.

Чим далі стають стани, тим більше їх ніжна квантова взаємозв'язок піддається порушенню з боку навколишнього середовища, процес, відомий як декогерентність.

Розрахована ймовірнісна функція електрона в сильно збудженому стані Рідберга водню.

І тепер настав час атома Рідберга.

У звичайному атомі є ядро, оточене його маленьким роями електронів. Додайте енергію, і електрон може стрибнути в стан з вищою енергією, далі від ядра, розширюючи атом лише трохи.

Атом Рідберга – це те, що ви отримуєте, коли надаєте одному з цих електронів багато енергії в умовах, які дозволяють йому залишатися прив'язаним до атома. Його орбіта може розширюватися надзвичайно далеко від ядра, роблячи атом величезним (за атомними стандартами), з збудженим електроном, який майже так вільно зв'язаний, як тільки може бути, не злітаючи.

Оскільки вони такі "вільні", атоми Рідберга поводяться в перебільшений спосіб, що робить їх корисними для проведення експериментів.

Для Хегелса та його колег ці властивості пропонували спосіб вирішити проблему, яку вони поставили перед собою – створити оптичного кота Шредінгера з двома станами, які були б далі один від одного, ніж раніше, зберігаючи ніжну квантову когерентність.

Зокрема, одна з цих перебільшених поведінок полягає в тому, як сильно атоми Рідберга взаємодіють один з одним. Збудьте один атом у стан Рідберга, і його вплив може завадити сусіднім атомам бути подібно збудженими – явище, відоме як блокада Рідберга.

Дослідники використовували цю блокаду, щоб змусити частинки світла – фотони – впливати один на одного опосередковано.

Вони почали з хмари атомів, затриманих між двома дзеркалами, які могли бути збуджені в стани Рідберга. Дзеркала неодноразово відбивали світло через хмару, збільшуючи взаємодію між світлом і атомами. Ця установка відома як оптична порожнина.

У цю установку дослідники надіслали два імпульси світла, один за іншим. Перший був "контрольним", який фактично визначав, що станеться з другим, "цільовим".

Ось тут починається квантова частина.

У лінійно поляризованому світлі електромагнітні хвилі орієнтовані в певному напрямку.

Світло може бути поляризованим, що означає, що його електромагнітні хвилі можуть бути орієнтовані в різних напрямках. Контрольне світло було підготовлено в суперпозиції двох поляризацій – замість того, щоб бути однозначно одним або іншим, воно квантово механічно було обома.

Прилад розділив ці дві можливості на різні шляхи. Один просто подорожував навколо атомної хмари. Інший взаємодіяв з атомами, тимчасово залишаючи свою квантову інформацію як збудження Рідберга – електрон, піднятий у стан високої енергії, описаний раніше.

Отже, в суперпозиції атомна хмара як би містила, так і не містила це збудження Рідберга.

Потім дослідники надіслали цільове світло.

Ось тут і вступає в гру блокада Рідберга. Цільове світло взаємодіяло з хмарою по-різному в залежності від того, чи було збережене збудження присутнім. В одній можливості воно повернулося з порожнини з хвилею, зсунутою відносно іншої.

Оскільки збережене збудження було в суперпозиції присутності та відсутності, цільове світло пережило обидві можливості. В результаті воно опинилося в суперпозиції двох станів, кожен з яких пов'язаний з одним з двох станів контролю.

Бум. Ось і кіт.

У цьому випадку дві можливості не були живими і мертвими, або викопаними і танцюючими, а двома станами світла, хвилі яких відрізнялися за фазою. Чим далі дослідники могли віддалити ці два стани, зберігаючи їх квантово механічно пов'язаними, тим більшим став їх оптичний кіт.

І цей кіт став досить великим. Для цих оптичних котів їх розмір можна виразити за допомогою величини, званої альфа в квадраті (α²). Хегелс та його колеги досягли 2.4, перевершивши попередній рекорд 1.4 для цього специфічного виду оптичного кота.

Але просто виробити два різні стани світла недостатньо – дослідники також повинні були показати, що квантова когерентність була збережена.

Це ключова різниця між котом Шредінгера та двома станами світла, які просто "зависли" один з одним, не пов'язаними між собою.

Шість оптичних станів кота Шредінгера, створених в експерименті, зростаючи зліва направо.

Зробивши багато вимірювань світла, дослідники знайшли характерний підпис квантової поведінки у всіх шести котах, які вони створили – підтверджуючи, що, навіть коли коти ставали більшими, вони не втратили свою основну квантову дивність.

Більші коти не лише корисні для дослідження меж між квантовою та класичною фізикою. Створення їх двох станів більш відмінними, зберігаючи їх квантовий зв'язок, також може зробити їх більш корисними для зберігання та обробки квантової інформації.

Дослідники кажуть, що їхня робота залишає місце для десерту кота. Декілька частин експерименту ще можна покращити, що може дозволити створити ще більших котів у майбутньому.

Десь між квантовою та класичною областями є точка, в якій кіт Шредінгера повинен зупинити зростання. Пухнасте хутро може бути одним із способів знайти цю межу.

Стаття, яка ще не пройшла рецензування, доступна на препринт-сервері arXiv.