Первое в истории животное с квантовым переплетением – замерзшая тихоходка.

Ученые из нескольких стран сообщили о результатах эксперимента, в котором они использовали тихоходку для изменения состояния трансмонного кубита, связанного с другим кубитом, в условиях очень низких температур и давлений. Тихоходка пережила этот эксперимент, побив рекорд экстремальных физических условий, в которых может выжить этот вид.

Квантовая суперпозиция

Квантовая суперпозиция – явление, возникающее в квантовой механике, не имеющее аналогов в классической картине мира. Он заключается в том, что квантовые состояния объектов можно представить как сумму состояний, соответствующих различным значениям любой физической наблюдаемой.

Если в системе есть несколько взаимодействующих объектов, то их многочастичные состояния также могут оказаться суперпозиционными, реализуя квантовую запутанность – фундаментальную корреляцию, благодаря которой возможны квантовые вычисления и квантовая связь.

Декогеренция

Строго говоря, любое взаимодействие чего-либо с объектом в состоянии квантовой суперпозиции должно приводить к квантовой запутанности. Если это что-то достаточно большое по размеру и содержит много степеней свободы (физики часто называют такие тела «теплыми и влажными»), то квантовая суперпозиция рассеивается, и объект переходит в одно из состояний с некоторой наблюдаемой. Этот процесс называется декогеренцией.

Физики до сих пор обсуждают интерпретацию этого процесса. Одним из аргументов в этом споре был мысленный эксперимент с котом Шредингера, который, будучи макроскопическим биологическим объектом, очевидно, подходит под определение теплого и влажного. Таким образом, в физике сформировалась граница масштабов, за которой квантовые эффекты исчезают очень быстро.

Несмотря на это, ученые стараются перенести его как можно дальше в зону крупных объектов, в том числе и живых. Последние достижения квантовой биологии, сформированные таким образом, включают квантовую суперпозицию биологической молекулы, состоящей из 15 аминокислот, и даже запутывание одной световой бактерии, что, однако, было подтверждено лишь косвенно.

Ученые превратили тихоходку в кубит

Одна научная группа пошла дальше и сообщила, что им удалось создать квантовую суперпозицию между двумя кубитами трансмона, один из которых был связан с тихоходкой электростатическим взаимодействием. По утверждениям самих авторов, многоклеточный организм впервые был переведен ими в состояние квантовой суперпозиции. Кроме того, исследователи установили рекорд экстремальных условий, которым может противостоять сложная форма жизни.

В качестве объекта исследования ученые выбрали датскую популяцию отдельных видов тихоходок Ramazzottius varieornatus. Тихоходки известны своей жизнеспособностью, которая возникает из-за состояния ангидробиоза, то есть анабиоза, вызванного высыханием. Выбранный авторами вид характеризуется высыханием до 100-150 мкм при длине 200-450 мкм в активном состоянии.

Процесс и результаты

Сначала физики поместили спящую тихоходку на пластины конденсатора в сверхпроводящем трансмон-кубите при температуре 10 милликельвин и давлении 6 × 10 -6 миллибар, что привело к сдвигу его резонансной частоты на восемь мегагерц. Они смоделировали этот эффект, представив тихоходку в виде диэлектрического куба с длиной ребра 100 микрометров. Он был воспроизведен для диэлектрической проницаемости около четырех, что соответствует нижнему пределу диэлектрических свойств белков. Памятники и надгробия в екатеринбурге цены.
Затем исследователи построили микроскопическую модель взаимодействия кубита с тихоходкой, описав колебания заряда в последней с помощью нгармонических осцилляторов. Более того, они ограничились только двумя возможными состояниями системы осциллятора, фактически рассматривая тихоходку как третий кубит.

Во второй части эксперимента физики соединили систему «кубит + тихоходка» с другим кубитом и перевели их в состояние суперпозиции с помощью операции CNOT. Авторами проведена томография квантовых состояний в четырехмерном подпространстве, в основу которого вошли два состояния нового кубита и два состояния системы «кубит + тихоходка». Сравнение построенной матрицы плотности с теоретическими предсказаниями показало точность 82%.

В конце эксперимента, который длился 420 часов, авторы вернули тихоходку в нормальные условия, поместив ее в воду, где она вернула свое активное состояние. Это новый температурный рекорд выживаемости тихоходок при низком давлении, который ранее составлял 50 милликельвинов.