Вчені з декількох країн доповіли про результати експерименту, в ході якого вони використовували тихоходку, щоб змінити стан трансмонного кубіту, заплутаного з іншим кубітом в умовах дуже низьких температур і тисків. Тихоходка пережила цей експеримент, оновивши рекорд з екстремальності фізичних умов, які вона може витримати. Препринт роботи опублікований на сайті arxiv.org, а сама вона поки не пройшла рецензування.
Квантова суперпозиція - це феномен, що виникає в квантовій механіці, який не має аналогів у класичній картині світу. Він полягає в тому, що квантові стани об'єктів можуть бути представлені у вигляді суми статків, що відповідають різним значенням якоїсь фізичної спостережуваної. Якщо в системі присутні кілька взаємодіючих об'єктів, то їх багаточасткові стани також можуть виявитися суперпозиційними, реалізуючи квантову заплутаність - фундаментальну кореляцію, завдяки якій можливі квантові обчислення і квантовий зв'язок.
Строго кажучи, будь-яка взаємодія будь-чого з об'єктом у стані квантової суперпозиції має призводити до квантової заплутаності. Якщо ж це щось досить велике за розміром і містить в собі багато ступенів свободи (фізики часто називають такі тіла «теплими і вологими»), то квантова суперпозиція розсіюється, а об'єкт переходить в один зі станів з певною спостережуваною. Цей процес називається декогеренцією.
Фізики досі сперечаються про інтерпретацію цього процесу. Одним з аргументів у цій суперечці став уявний експеримент з котом Шредінгера, який, будучи макроскопічним біологічним об'єктом, очевидно, підходить під визначення теплого і вологого. Таким чином у фізиці сформувався кордон масштабів, за якими квантові ефекти зникають дуже швидко. Незважаючи на це, вчені намагаються зрушити її якомога далі в область великих об'єктів, в тому числі і живих (детальніше про це ви можете прочитати в матеріалі «Влада часткового»). До недавніх досягнень сформованої таким чином квантової біології вже можна віднести квантову суперпозицію біологічної молекули, що складається з 15 амінокислот, і навіть заплутування одиночної бактерії світлом, яке, однак, було підтверджено лише побічно.
Вчені з п'яти країн за участю Райнера Думці (Rainer Dumke) з Національного університету Сінгапуру пішли далі і повідомили про те, що їм вдалося створити квантову суперпозицію між двома трансмонними кубітами, один з яких був пов'язаний з тихоходкою електростатичною взаємодією. Як стверджують самі автори, багатоклітинний організм вперше був переведений ними в стан квантової суперпозиції. Крім того, дослідники поставили рекорд з екстремальності умов, які може витримати складна форма життя.
Як об'єкт дослідження фізики вибрали особину данської популяції тихоходок виду, якою вони дали ім'я Ніл Вормстронг (Neil Wormstrong). Тихоходки відомі своєю живучістю, яка обумовлена станом ангідробіозу, тобто анабіозу, викликаного всиханням. Для обраного авторами виду характерне всихання до 100-150 мікрометрів при довжині 200-450 мікрометрів в активному стані.
Спочатку фізики поміщали сплячу тихоходку на обкладки конденсатора в свіхпровідному трансмонному кубиті при температурі 10 мілікельвін і тиску 6 − 10 ‑ 6 мільбар, що призводило до зміщення його резонансної частоти на вісім мегагерц. Вони змоделювали цей ефект, представивши тихоходку у вигляді діелектричного куба з довжиною ребра, що дорівнює 100 мікрометрів. Він відтворювався для діелектричної постійної, рівної приблизно чотирьом, що відповідає нижній межі діелектричних властивостей білків. Потім дослідники побудували мікроскопічну модель взаємодії кубіту з тихоходкою, описавши коливання зарядів в останній за допомогою гармонійних осциляторів. При цьому вони обмежувалися лише двома можливими станами системи осциляторів, по суті розглядаючи тихоходку в якості третього кубіта.
У другій частині експерименту фізики пов'язували систему «кубіт + тихоходка» з іншим кубітом і переводили їх у суперпозиційний стан за допомогою CNOT-операції. Автори проводили томографію квантових станів у чотиримірному підпросторі, базис якого включав два стани нового кубіту і два стани системи «кубіт + тихоходка». Порівняння побудованої матриці щільності з теоретичними передбаченнями показало ступінь збігу (fidelity), що дорівнює 82 відсоткам.
Від редактора
Автори інтерпретували свій результат як доказ того, що багатоклітинний організм вперше був переведений у стан квантової суперпозиції. Вони спиралися на вимірювання заплутаності двох кубітів у припущенні, що стан одного з них заплутаний зі станом тихоходки. Для розуміння впливу тихоходки на всю систему, необхідно було б порівняти величину заплутаності до і після того, як тихоходку поклали на трансмон. Крім того, для твердження про заплутаність її з кубітом необхідно виключити інші фактори, що впливають на зміну стану цього кубіту. Виходячи з цього, поки можна стверджувати тільки лише про можливий вплив тихоходки на стан системи з двох кубітів.
По закінченню експерименту, що тривав 420 годин, автори повернули тихоходку в нормальні умови, помістивши її у воду, де та відновила свій активний стан. Цим вони оновили температурний рекорд виживаності тихоходки при низькому тиску, який раніше становив 50 мілікельвін.
Раніше ми вже розповідали про заплутування неживих систем з великим числом частинок, зокрема, охолодженого газу, що складається з 100 мільйонів атомів, і 10-мікрометрової алюмінієвої мембрани.