Ученые из нескольких стран доложили о результатах эксперимента, в ходе которого они использовали тихоходку, чтобы изменить состояние трансмонного кубита, запутанного с другим кубитом в условиях очень низких температур и давлений. Тихоходка пережила этот эксперимент, обновив рекорд по экстремальности физических условий, которые она может выдержать. Препринт работы опубликован на сайте arxiv.org, а сама она пока не прошла рецензирование.
Квантовая суперпозиция — это феномен, возникающий в квантовой механике, который не имеет аналогов в классической картине мира. Он заключается в том, что квантовые состояния объектов могут быть представлены в виде суммы состояний, соответствующих различным значениям какой-либо физической наблюдаемой. Если в системе присутствует несколько взаимодействующих объектов, то их многочастичные состояния также могут оказаться суперпозиционными, реализуя квантовую запутанность — фундаментальную корреляцию, благодаря которой возможны квантовые вычисления и квантовая связь.
Строго говоря, любое взаимодействие чего-либо с объектом в состоянии квантовой суперпозиции должно приводить к квантовой запутанности. Если же это что-то достаточно большое по размеру и содержит в себе много степеней свободы (физики часто называют такие тела «теплыми и влажными»), то квантовая суперпозиция рассеивается, а объект переходит в одно из состояний с определенной наблюдаемой. Этот процесс называется декогеренцией.
Физики до сих пор спорят об интерпретации этого процесса. Одним из аргументов в этом споре стал мысленный эксперимент с котом Шрёдингера, который, будучи макроскопическим биологическим объектом, очевидно, подходит под определение теплого и влажного. Таким образом в физике сформировалась граница масштабов, за которыми квантовые эффекты исчезают очень быстро. Несмотря на это, ученые стараются сдвинуть ее как можно дальше в область больших объектов, в том числе и живых (подробнее об этом вы можете прочитать в материале «Власть частичного»). К недавним достижениям сформировавшейся таким образом квантовой биологии уже можно отнести квантовую суперпозицию биологической молекулы, состоящей из 15 аминокислот, и даже запутывание одиночной бактерии светом, которое, однако, было подтверждено лишь косвенно.
Ученые из пяти стран при участии Райнера Думке (Rainer Dumke) из Национального университета Сингапура пошли дальше и сообщили о том, что им удалось создать квантовую суперпозицию между двумя трансмонными кубитами, один из которых был связан с тихоходкой электростатическим взаимодействием. Как утверждают сами авторы, многоклеточный организм впервые был переведен ими в состояние квантовой суперпозиции. Кроме того, исследователи поставили рекорд по экстремальности условий, которые может выдержать сложная форма жизни.
В качестве объекта исследования физики выбрали особь датской популяции тихоходок вида , которой они дали имя Нил Вормстронг (Neil Wormstrong). Тихоходки известны своей живучестью, которая обусловлена состоянием ангидробиоза, то есть анабиоза, вызванного усыханием. Для выбранного авторами вида характерно усыхание до 100-150 микрометров при длине 200-450 микрометров в активном состоянии.
Сначала физики помещали спящую тихоходку на обкладки конденсатора в свехпроводящем трансмонном кубите при температуре 10 милликельвин и давлении 6 × 10−6 миллибар, что приводило к смещению его резонансной частоты на восемь мегагерц. Они смоделировали этот эффект, представив тихоходку в виде диэлектрического куба с длиной ребра, равной 100 микрометров. Он воспроизводился для диэлектрической постоянной, равной примерно четырем, что соответствует нижней границе диэлектрических свойств белков. Затем исследователи построили микроскопическую модель взаимодействия кубита с тихоходкой, описав колебания зарядов в последней с помощью гармонических осцилляторов. При этом они ограничивались лишь двумя возможными состояниями системы осцилляторов, по сути рассматривая тихоходку в качестве третьего кубита.
Во второй части эксперимента физики связывали систему «кубит+тихоходка» с другим кубитом и переводили их в суперпозиционное состояние с помощью CNOT-операции. Авторы проводили томографию квантовых состояний в четырехмерном подпространстве, базис которого включал два состояния нового кубита и два состояния системы «кубит+тихоходка». Сравнение построенной матрицы плотности с теоретическими предсказаниями показало степень совпадения (fidelity), равную 82 процентам.
От редактора
Авторы интерпретировали свой результат как доказательство того, что многоклеточный организм впервые был переведен в состояние квантовой суперпозиции. Они опирались на измерение запутанности двух кубитов в предположении, что состояние одного из них запутано с состоянием тихоходки. Для понимания влияния тихоходки на всю систему, необходимо было бы сравнить величину запутанности до и после того, как тихоходку положили на трансмон. Кроме того, для утверждения о запутанности ее с кубитом необходимо исключить другие факторы, влияющие на изменение состояния этого кубита. Исходя из этого, пока можно утверждать только лишь о возможном влиянии тихоходки на состояние системы из двух кубитов.
По окончанию эксперимента, длившегося 420 часов, авторы вернули тихоходку в нормальные условия, поместив ее в воду, где та восстановила свое активное состояние. Этим они обновили температурный рекорд выживаемости тихоходки при низком давлении, который ранее составлял 50 милликельвин.
Ранее мы уже рассказывали про запутывание неживых систем с большим числом частиц, в частности, охлажденного газа, состоящего из 100 миллионов атомов, и 10-микрометровой алюминиевой мембраны.