Законы квантовой механики были продемонстрированы на макрообъекте

Связь между поведением квантовых систем и макромиром давно находится под пристальным вниманием ученых. Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре представили первую явную демонстрацию того, что квантовая механика применима к механическому движению объектов достаточно больших, чтобы видеть их невооруженным глазом.

В статье, опубликованной в онлайновом журнале Nature, аспирант Аарон О’Коннелл (Aaron O'Connell) и профессора Джон Мартинис (John Martinis) и Эндрю Клеланд (Andrew Cleland) описали первую демонстрацию механического резонатора, который был охлажден до основного состояния. Далее они возбудили резонатор квантом энергии, используя для этого квантовый бит. Реакция резонатора в точности соответствовала предсказаниям квантовой механики.

«Это важная проверка квантовой теории и значительный шаг вперед в наномеханическом исследовании», - сказал Клеланд.

Исследователи достигли основного состояния, разработав и сконструировав микроволновый механический резонатор. Он подсоединили его к электронному устройству, разработанному для квантовых вычислений, – кьюбиту (или кубиту, как сейчас часто говорят) на сверхпроводящих элементах, и охладили конструкцию до температуры, близкой к абсолютному нулю. Используя кьюбит как квантовый термометр, исследователи продемонстрировали, что в механическом резонаторе не происходили возбужденные колебания, то есть он оставался в основном состоянии. Это означало, что охлажденный резонатор подчинялся законам квантовой механики.

Они создали единственный фонон, квант механического колебания, соответствовавший первому возбужденному колебательному состоянию, и наблюдали обмен энергией между резонатором и кьюбитом. Во время обмена фононом кьюбит и резонатор переходили в состояние квантового зацепления, так что выполнение измерений на кьюбите приводило резонатор в определенное колебательное состояние.

В сопутствующих экспериментах ученые приводили квантовый резонатор в суперпозицию основного и возбужденного состояния. В целом, поведение резонатора соответствовало предсказаниям квантовой теории.