Фізики змогли утримувати атоми в стані суперпозиції протягом 23 хвилин.

Метроло́гія — наука, що займається питаннями вимірювань, їх точності та методів проведення. В квантовій метрології спіни частинок слугують інструментом для вимірювання магнітних полів, інерції та інших фізичних явищ. Крім того, вони відкривають можливість досліджувати нову фізику за межами Стандартної моделі.

Китайські фізики зосередилися на вивченні стану «кота Шредінгера» — суперпозиції, що представляє собою одночасне існування двох протилежно спрямованих і максимально віддалених станів спіну в одному атомі. Таке стан атомів має унікальні переваги для проведення точних вимірювань у квантових системах.

Головним викликом для застосування станів «кота Шредінгера» в експериментах залишається підтримка достатньої тривалості когерентності — стану, в якому зберігається суперпозиція спінів і чітке розділення між їх фазами.

Щоб подолати цю проблему, наукова група під керівництвом професора Лу Чжентяня (Lu Zhengtian) та дослідника Ся Тяня (Xia Tian) з Університету науки і технологій Китаю (USTC) використала приблизно 10 тисяч атомів ізотопу ітербію-173 (¹⁷³Yb), що мають спін (5/2).

Вчені охолодили атоми майже до абсолютного нуля і утримували їх у стабільному положенні за допомогою лазера. В таких умовах квантові стани атомів можна контролювати з високою точністю, і фізики помістили кожен атом у стан суперпозиції з двома дуже далекими спінами: +5/2 і -5/2.

Стан суперпозиції спінів, «кота Шредінгера», демонструє підвищену чутливість до магнітного поля. Крім того, він стійкий до шумів, пов'язаних зі випадковими змінами інтенсивності лазерів та просторовими недосконалостями решітки, в яку поміщені ізотопи ітербію-173.

Зазвичай суперпозиція залишається стабільною мілісекунди, але в цьому експерименті фізикам вдалося утримати стан «кота Шредінгера» більше 20 хвилин. Для підтвердження часу когерентності перевіряли чутливість до фазових зсувів. Фазовий зсув пов'язаний з обертанням спінового вектора атомів у суперпозиції. Він призводить до зміни відносної фази між станами, що можна виміряти за допомогою техніки, званої інтерферометрією Рамсі.

Результати нової наукової роботи підтвердили, що вимірювання фази наближаються до межі Гейзенберга. Це теоретично максимально можлива точність вимірювання фази в квантових системах, обмежена фундаментальними законами квантової механіки. Така точність підтверджує ефективність використаної техніки та стійкість стану «кота Шредінгера».

Довготривале стан суперпозиції атомів ітербію-173 відкриває нові перспективи для атомної магнітометрії, квантових обчислень та досліджень фізики за межами Стандартної моделі. Результати дослідження розширюють можливості метрології та технологій, пов'язаних з квантовими обчисленнями та сенсорами.

Стаття вчених опублікована в журналі Nature Photonics.