Физики встроили тихоходку в кубит

K. S. Lee et al. / arXiv.org, 2021

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.