Физики успешно сохранили атомы в состоянии суперпозиции на протяжении 23 минут.

Метрология — это наука, занимающаяся измерениями, их точностью и методами их проведения. В квантовой метрологии спины частиц служат инструментом для измерения магнитных полей, инерции и других физических явлений. Кроме того, они предоставляют возможность исследовать новую физику, выходящую за рамки Стандартной модели.

Физики из Китая сосредоточили свои усилия на изучении состояния «кота Шредингера» — суперпозиции, которая представляет собой одновременное существование двух противоположно направленных и максимально удаленных состояний спина в одном атоме. Такое состояние атомов обладает уникальными преимуществами для выполнения точных измерений в квантовых системах.

Основной трудностью в использовании состояний «кота Шредингера» в экспериментах является поддержание достаточной продолжительности когерентности — состояния, в котором сохраняются суперпозиция спинов и четкое разделение между их фазами.

Чтобы решить эту проблему, команда ученых под руководством профессора Лу Чжэнтяня (Lu Zhengtian) и исследователя Ся Тяня (Xia Tian) из Университета науки и технологии Китая (USTC) использовала около 10 тысяч атомов изотопа иттербия-173 (¹⁷³Yb), обладающих спином (5/2).

Ученые охладили атомы практически до абсолютного нуля и зафиксировали их в стабильном положении с помощью лазера. В таких условиях квантовые состояния атомов можно управлять с высокой точностью, и физики поместили каждый атом в состояние суперпозиции с двумя очень далекими спинами: +5/2 и -5/2.

Состояние суперпозиции спинов, «кота Шредингера», демонстрирует повышенную чувствительность к магнитному полю. Более того, оно устойчиво к шумам, возникающим из-за случайных изменений интенсивности лазеров и пространственных неидеальностей решетки, в которую помещены изотопы иттербия-173.

Обычно суперпозиция остается стабильной в течение миллисекунд, но в этом эксперименте физикам удалось удерживать состояние «кота Шредингера» более 20 минут. Для проверки времени когерентности изучали чувствительность к фазовым сдвигам. Фазовый сдвиг связан с вращением спинового вектора атомов в суперпозиции. Это приводит к изменению относительной фазы между состояниями, что можно измерить с помощью техники, известной как интерферометрия Рамси.

Результаты данного научного исследования подтвердили, что измерения фазы приближаются к пределу Гейзенберга. Это теоретически максимальная возможная точность измерения фазы в квантовых системах, ограниченная основополагающими законами квантовой механики. Такая точность подтверждает эффективность используемой техники и устойчивость состояния «кота Шредингера».

Долговременное состояние суперпозиции атомов иттербия-173 открывает новые горизонты для атомной магнитометрии, квантовых вычислений и исследований физики за пределами Стандартной модели. Результаты исследования расширяют возможности метрологии и технологий, связанных с квантовыми вычислениями и сенсорами.

Статья ученых опубликована в журнале Nature Photonics.