Рекордный квантовый кот: тысячи атомов в суперпозиции открывают путь к биологии

Физики ввели тысячи атомов в состояние «кота Шрёдингера» — побив рекорд по размеру самого макроскопического объекта, когда-либо наблюдаемого в квантовом состоянии.

В новом исследовании учёные наблюдали, как наночастицы из 7000 атомов натрия ведут себя как единая когерентная волна, раздвигая границы странного мира квантовой механики. На основе этой работы будущие эксперименты могут, наконец, перевести биологические молекулы в квантовое состояние, открыв новые пути для изучения их физических свойств.

В эксперименте команда создала пучок наночастиц натрия и направила его на узкую щель. Их результаты, опубликованные 21 января в журнале Nature, показывают, что наночастицы натрия расплывались, создавая интерференционную картину, демонстрируя странное квантовое поведение, известное как корпускулярно-волновой дуализм. Эти наночастицы натрия теперь коллективно установили рекорд как самые крупные объекты, когда-либо наблюдаемые в квантовой суперпозиции.

«Обычно, когда люди думают о квантовой механике, они ассоциируют её с чем-то маленьким, крошечным — возможно, с фотонами, возможно, с электронами», — сказал Live Science ведущий автор исследования, физик Венского университета Себастьян Педалино. — «Но сама квантовая механика не устанавливает никаких ограничений. И это то, что мы проверяем».

И здесь, и там

В квантовом царстве частицы могут быть одновременно и здесь, и там. Этот странный феномен известен как квантовая суперпозиция.

Физик Эрвин Шрёдингер проиллюстрировал это, представив кота в запечатанной коробке с ампулой яда, которая разобьётся при распаде радиоактивного атома, а значит, кот может быть убит в любой момент после закрытия коробки. Это помещает кота в суперпозицию «мёртв и жив одновременно». Только когда коробку открывают и кота наблюдают, суперпозиция коллапсирует, и кот определяется как либо мёртвый, либо живой.

Невероятно, но именно так ведут себя частицы в квантовом масштабе: они находятся в нескольких местах одновременно и ведут себя и как частица, и как волна, пока за ними не наблюдают.

Этот причудливый мир поднимает вопрос: где же граница между квантовым миром и тем, что мы наблюдаем каждый день? В какой момент частица перестаёт вести себя как волна?

Причина, по которой мы не видим квантовую суперпозицию повсеместно, — процесс, называемый декогеренцией. Если что-то в квантовой суперпозиции взаимодействует со своей средой, оно декогерирует и перестаёт быть «и здесь, и там»; вместо этого оно «выбирает» одно место. Более крупные объекты постоянно взаимодействуют со средой, поэтому они не могут поддерживать квантовую суперпозицию. Таким образом, главная задача при попытке наблюдать крупные частицы, ведущие себя как волны, — изолировать их, чтобы они могли оставаться в когерентной квантовой суперпозиции.

В поисках интерференции

В новом исследовании Педалино попытался наблюдать крупные наночастицы натрия в квантовой суперпозиции. Для этого он и его команда превратили несколько граммов натрия в пучок наночастиц, который затем направили на узкую щель.

Если бы наночастица натрия находилась в суперпозиции, это означало бы, что после прохождения щели она расплывается, как волна. Это, в свою очередь, создало бы интерференционную картину. Однако если бы она декогерировала и начала вести себя как обычная частица, натрий прошёл бы прямо через щель, и команда увидела бы ровную линию.

«Два года я видел только плоские линии, — сказал Педалино. — Мы пытались разглядеть интерференционную картину, но видели плоские линии. А в итоге плоская линия бесполезна, так как она не даёт ответа».

Наконец, единственная линия, которую они видели на детекторе, расширилась и превратилась в несомненную интерференционную картину, означавшую, что наночастицы натрия ведут себя и как частицы, и как волны.

«Этот момент был невероятным, — вспоминает Педалино. — Была уже глубокая ночь, и я позвонил своему профессору. Он вернулся в лабораторию, и мы проводили измерения до трёх часов ночи, пока у нас не закончился натрий».

Команда определила «макроскопичность» — величину, описывающую, насколько квантовый объект вторгается в классический мир — наночастиц натрия как 15,5. Это на порядок превосходит предыдущий рекорд.

На пороге биоквантовой эры

Это открытие открывает дверь для будущих экспериментов, в которых учёные смогут наблюдать в квантовой суперпозиции биологические материалы, такие как вирусы или белки. Хотя технические трудности для этого всё ещё огромны — биомолекулы сложнее и хрупче, чем наночастицы металла, — принципиальный барьер размера оказался преодолим.

«Следующий рубеж — это, безусловно, органические соединения, — комментирует независимый эксперт. — Представьте, что мы сможем наблюдать квантовую интерференцию у молекулы хлорофилла во время фотосинтеза или у фермента в момент катализа. Это может радикально изменить наше понимание фундаментальных процессов жизни».

Эксперимент команды Педалино знаменует собой крупный шаг вперёд, приближая это странное квантовое явление к привычному макроскопическому миру и стирая границы между, казалось бы, несовместимыми областями науки. Квантовый кот Шрёдингера не только жив и не мёртв, но и стал больше и сложнее, чем кто-либо мог представить несколько десятилетий назад.