Физики встроили тихоходку в кубит
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 Ramazzottius varieornatus, 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 N 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.
Марат Хамадеев
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.