Ервін Шредінгер уявив кота в коробці, який одночасно живий і мертвий. Цей думковий експеримент, придуманий майже сто років тому, досі нагадує нам, що квантовий світ не грається за правилами звичайної логіки. Тепер дослідники з Оксфордського університету пішли значно далі вони створили кота з того, що само по собі вже не підкоряється жодним законам класичної фізики.
15 червня 2026 року команда фізиків оголосила про народження абсолютно нового сімейства квантових суперпозицій. Результати опубліковані в авторитетному журналі Physical Review X. І хоча формули за цим відкриттям лякають навіть випускників фізфаку, ідея проста: вчені навчилися будувати квантові стани з блоків, які самі є глибоко квантовими.
Майже сто років тому австрійський фізик Ервін Шредінгер запропонував свій парадокс, щоб показати абсурдність квантової механіки, яку тоді сприймали буквально. Іронія долі полягає в тому, що сьогодні цей «абсурд» став робочим інструментом найпередовіших лабораторій світу.
Кіт із квантових блоків
У класичному світі предмети знаходяться в одному стані. Кубок стоїть на столі або падає обидва варіанти одночасно неможливі. Квантова механіка зламала цю впевненість. Атоми, світло, навіть коливання можуть існувати в кількох станах водночас явище, яке фізики називають суперпозицією.
Найвідоміша ілюстрація кішка Шредінгера. Гіпотетична тварина в закритій коробці з атомом радію та ціаністим калієм вважається водночас живою і мертвою, доки хтось не відкриє кришку. На практиці вчені давно вміють створювати справжні суперпозиції в лабораторіях. Проте до сьогодні «котячі стани» будували з так званих когерентних станів хвильових пакетів, які поводяться майже як класичні об’єкти, на кшталт маятника чи кульки в русі.
Оксфордська команда зробила принципово інакше.
Вони сконструювали суперпозицію з компонентів, які вже самі по собі глибоко некласичні. Йдеться про стиснені стани квантові об’єкти, в яких невизначеність розподілена нерівномірно між різними властивостями. Якщо когерентний стан схожий на гладеньку кульку, то стиснений стан це та сама кулька, витягнута в еліпс, де одна вісь стиснута до мінімуму, а інша розширена до максимуму. Це все одно що зліпити скульптуру не з глини, а з самого світла, яке щойно з’явилося й одразу зникає, не даючи себе торкнутися.
Іон, який танцює в двох місцях
Експеримент опірався на рух одного-єдиного захопленого іона. Ця платформа поєднує два квантові світи в одній частинці. Внутрішній стан іона поводиться як кубіт система з двома рівнями, нуль і одиниця. Його рух, водночас, діє як квантовий гармонійний осцилятор, здатний займати безліч енергетичних рівнів одночасно. Уявіть маятник, який коливається з амплітудою один сантиметр і десять сантиметрів одночасно, причому обидва стани реальні, доки хтось не подивиться.
Саме ця подвійна природа робить захоплені іони ідеальними будівельними блоками для квантових технологій, що виходять за рамки звичайної бінарної логіки. Вони поєднують дискретність біта з безперервністю хвилі.
Щоб отримати новий стан, дослідники спочатку створили заплутаність між внутрішнім станом іона та можливими станами його руху. Потім вони виконали серединне квантове вимірювання внутрішнього стану. В результаті рух іона колапсував у бажану суперпозицію некласичних компонентів. Процес вимагає температури, близької до абсолютного нуля, лазерного контролю з точністю до наносекунд та вакууму, глибокого, як у космосі. Жоден з етапів не терпить помилок.
І все ж вони зробили це.
«Цей підхід дав нам інструмент, щоб ліпити квантову суперпозицію майже в будь-яку форму», пояснює провідний автор дослідження доктор Себастьян Санер з фізичного факультету Оксфордського університету.
Майже будь-яка форма
Новий метод надав команді небачену гнучкість. Змінюючи експериментальні параметри, вони могли регулювати відносний розмір, орієнтацію та відстань між компонентами всередині суперпозиції. Одна й та сама іонна пастка перетворилася на кузню дивовижних рухових квантових станів. Фізики могли буквально програмувати форму квантової хвилі, наче скульптори, що працюють з цифровою глиною.
Зокрема, вони створили суперпозицію двох трискиснених станів. Реконструйована функція Вігнера цього стану виявила шестикратну обертальну симетрію геометричну властивість, яка неможлива в класичній фізиці. Такі картини нагадують мандали, вирізьблені з самої тканини реальності.
Дослідники відтворили отримані стани безпосередньо. Їхні вимірювання виявили інтерференційні картини та області негативності Вігнера чіткі докази того, що перед ними справжні квантові суперпозиції, а не звичайні класичні суміші. Негативність Вігнера означає, що систему неможливо описати жодною класичною фізикою. Це візитівка справжнього квантового світу, своєрідний водяний знак, який відрізняє квантову реальність від усього, до чого ми звикли.
Команда вже співпрацює з теоретиками, щоб зрозуміти, наскільки глибоко «квантовими» є ці нові створіння. Чи можуть вони служити ключем до розгадки однієї з найстаріших загадок фізики?
«Наші колеги були справді вражені, коли ми показали їм, що зробили. Ми віримо, що лише дряпаємо поверхню можливого і для практичних застосувань, і для фундаментального розуміння цих станів», каже доктор Рагхавендра Шрінівас, керівник проєкту з фізичного факультету Оксфорда.
Поза межами нулів і одиниць
Для чого потрібен кіт, складений з самої квантової піни?
Відповідь ховається в архітектурі майбутніх технологій. Сучасні квантові комп’ютери оперують кубітами системами з двома станами. Але квантові осцилятори пропонують набагато багатший набір можливостей. Вони можуть займати численні енергетичні рівні водночас, кодуючи значно більше інформації в одній частинці. Це як перейти від морзянки, де є лише крапка і тире, до симфонії з нескінченною кількістю нот.
Дослідження вказує на майбутні технології, що покладатимуться на квантові осцилятори замість простих кубітів. Ці стани можуть бути стійкішими до помилок і водночас підтримувати простіші, ефективніші стратегії корекції помилок. Замість того щоб тримати інформацію в двох станах нулі та одиниці система може розмістити її на цілому спектрі енергетичних рівнів, роблячи обчислення природнішими та стійкішими. Такі системи також обіцяють революцію в ультраточному сенсорному обладнанні від гравітаційних детекторів до навігаційних систем нового покоління.
Поза обчисленнями, відкриття дає нову експериментальну платформу для дослідження одного з найбільших питань фізики: де проходить межа між класичним світом, який ми відчуваємо, і квантовою реальністю, що ним керує. Чому ми не бачимо кішок Шредінгера в повсякденному житті? Чому квантова дивина зникає, щойно предмет стає достатньо великим? Нові стани можуть підказати відповідь.
- Квантові обчислення стійкіші до помилок системи, що виходять за рамки бінарної логіки та дозволяють обробляти складніші алгоритми в одній частинці
- Ультраточні сенсори вимірювання прискорень, магнітних полів, часу та гравітації з недосяжною раніше точністю
- Фундаментальна фізика вивчення кордону між квантовим і класичним світами, де закінчується дивина і починається буденність
Що далі
Оксфордська команда не збирається зупинятися. Наступний крок глибше теоретичне вивчення властивостей отриманих суперпозицій та пошук шляхів інтеграції їх у робочі квантові процесори. Якщо вчені зможуть програмно керувати формою квантового стану з такою ж легкістю, з якою скульптор керує глиною, ера квантових технологій наблизиться на кілька років. Перші комерційні системи, що використовують осцилятори замість простих кубітів, можуть з’явитися вже до кінця десятиліття.
А поки що в лабораторії Оксфорда один іон продовжує танцювати в кількох вимірах водночас живий, мертвий і чимось набагато дивнішим за будь-яку з цих категорій.
Про автора
