В странном мире квантовой механики допускается, что крошечный объект может быть в двух местах одновременно. За век, прошедший с момента зарождения этой науки, квантовые эффекты наблюдали на примере электронов, фотонов, атомов и молекул. Однако для рукотворных механических объектов достоверных примеров учёные не получали – до сегодняшнего дня.

Квантовая механика утверждает, что наблюдаемая частица может находиться только в дискретных состояниях — то есть измерение спина даст только «вверх» или только «вниз». Ещё в 1930-х годах Эрвин Шрёдингер на своём знаменитом примере с живым-мёртвым котом объяснял, что до измерения частица находится во всех возможных состояниях одновременно и только в момент наблюдения коллапсирует к одному из них.

Хотя это явление – квантовая суперпозиция – изначально относится только к микромиру, учёных всегда чрезвычайно занимал вопрос, что получится, если попробовать создать суперпозицию квантовых состояний для макрообъекта.

Авторы нового исследования, инженеры из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), продемонстрировали изготовленный ими механический резонатор-осциллятор длиной 20 микрометров, который в ходе опыта был доведён до так называемого основного состояния (ground state). Это минимальный уровень колебаний, допустимый квантовыми законами: «так близко, как это возможно к полной неподвижности».

Далее, как сообщается в пресс-релизе, резонатор был соединён со сверхпроводящим кубитом, после чего всю систему охладили до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Состоящий из так называемого пьезоэлектрического материала «квантовый барабан» (выделен красным пунктиром) создаёт переменное электрическое поле, сжатие и расширение которого облегчает детекцию (иллюстрация O'Connell et al., Nature)

После охлаждения, используя кубит как «квантовый термометр», исследователи показали — механический резонатор не имеет никаких дополнительных колебаний, иными словами, было достигнуто искомое «основное состояние».

Войдя в него, резонатор, хотя и продолжал относиться к миру макрообъектов, начал демонстрировать вполне квантовое поведение. Инженерам посчастливилось наблюдать, как механический резонатор и кубит обмениваются фононом (квантом колебательного движения), демонстрируя квантовую сцепленность.

Схема взаимодействия резонатора и кубита. Пока последний находился в исходном состоянии, к резонатору прикладывались 5-наносекундные импульсы различной амплитуды. Резонатор становится «передатчиком», с которым кубит взаимодействовал в течение времени τ. Далее учёные измерили зависимость вероятности перехода кубита в возбуждённое состояние (цветная шкала) от амплитуды механических колебаний (отмерена по вертикали в условных единицах) и времени взаимодействия (по горизонтали, наносекунды) (иллюстрация O'Connell et al., Nature)

Затем учёным успешно удалось ввести механический резонатор в состояние квантовой суперпозиции, в которой он одновременно был нулём (не колебался) и единицей (то есть вибрировал). А это — энергетический эквивалент нахождения объекта в двух местах одновременно. Наблюдать колебания «квантового барабана», по словам учёных, можно в обычный электронный микроскоп.

Статья американских исследователей опубликована в Nature.

Занятно, что только в январе этого года в Science появилась статья Эдриана Чо (Adrian Cho) из Массачусетского технологического института (MIT). В материале, посвящённом миниатюрным квантовым механизмам, автор отмечал значительный прогресс в этой области и предсказывал, что в течение года с «основным состоянием» будут успешно работать уже полдюжины исследовательских групп. Первую ласточку в виде «квантового барабана» мы теперь и наблюдаем.