Мы живем в квантовом мире, где физические объекты могут находиться в суперпозиции очень разных состояний. В этой связи возникает интересный вопрос: Может ли квантовая система пребывать в суперпозиции состояний, представляющих разные температуры, например, быть одновременно льдом и кипящей водой? Большинство физиков, конечно, скажут, что это — невозможно. Однако, согласно квантовой механике, такая суперпозиция имеет право на существование. Более того, такая суперпозиция была бы очень вероятна, если квантовая волновая функция большой изолированной системы выбиралась бы случайным образом.

Двое ученых из Сколтеха Вальтер Хан (Walter Hahn) и Борис Файн задались вопросом: Почему мы не сталкиваемся с суперпозицией нескольких температур в нашей повседневной жизни и что нужно сделать, чтобы увидеть такое явление в лаборатории? Ответы на эти вопросы важны для оснований квантовой статистической физики и для технологий связанных с квантовыми симуляторами, разрабатываемых во многих лабораториях по всему миру.

В статье, опубликованной в журнале Physical Review E, Хан and Файн предложили новый фундаментальный принцип, согласно которому физически реализуемые квантовые ансамбли должны быть устойчивыми к случайным локальным измерениям. В статье представлены аналитические и численные доказательства того, что ансамбли представляющие несколько разных температур очень нестабильны, в то время как канонический статистический ансамбль, соответствующий одной температуре, является стабильным. Статья также дает рекомендации о том, как создавать квантовые системы в лаборатории таким образом, чтобы максимально продлить суперпозицию нескольких температур.

Вальтер Хан (Walter Hahn), научный сотрудник Сколтеха, первый автор исследования: «Мы полагаем, что суперпозиции двух различных температур будут рано или поздно реализованы экспериментально, например, в системах холодных атомов. Если это произойдет, то появится возможность проверить наши теоретические предсказания.»

Борис Файн, профессор Сколтеха, руководитель исследования: «Нашей целью было прояснить границу применимости традиционной статистической физики, связанную с шириной распределения энергии в статистических ансамблях. Мы надеемся, что интересные явления будут обнаружены при исследованиях поведения физических систем вне этой границы.»

Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review E.