Физики получили новое семейство «котов Шредингера»

Физики Оксфордского университета продемонстрировали новое семейство квантовых суперпозиций, в котором каждый компонент сам по себе — необычайно экзотическое квантовое состояние. Захватывающие результаты чрезвычайно сложных для понимания простыми смертными экспериментов обнародованы в журнале Physical Review X.

У знаменитого кота Шредингера, как мы помним, всего два состояния — живой или мертвый. А точнее, их суперпозиция — пока мы не проверили, кот пребывает в обоих состояниях сразу. Эксперимент с котом был сугубо мысленным, но на деле в тиши лабораторий такие опыты ставятся сплошь и рядом — только вместо животного там атомы, свет или движение запертых частиц.

Оксфордские физики разработали метод создания суперпозиций из широкого круга компонентов, которые сами по себе являются глубоко неклассическими, породив тем самым целое семейство состояний, подобных коту Шредингера. Эти компоненты не обязательно должны быть простыми смещенными копиями друг друга — они могут различаться по своей внутренней квантовой структуре, например, распределению неопределенности или ориентации в фазовом пространстве.

Такие эксперименты удобно ставить на захваченных ионах, потому что они сочетают в себе две разные квантовые системы — внутреннее электронное состояние иона действует как кубит, а физическое движение иона в ловушке ведет себя как квантовый гармонический осциллятор. В результате кубит может применяться в качестве рычага управления для формирования колебательного состояния.

Отдельные компоненты, вводимые в суперпозицию (включая сжатые, трехсжатые и четырехсжатые состояния), ранее уже были синтезированы на этой же платформе с захваченным ионом стронция-88. Новым достижением стало их когерентное объединение в программируемые суперпозиции, напоминающие кота Шредингера, с контролем над размером, ориентацией и разделением каждой части.

Чтобы построить суперпозиции, сначала применили специально сконструированные взаимодействия, которые перепутывали внутреннее состояние иона с различными возможными состояниями движения. Затем промежуточное квантовое измерение внутреннего состояния проецировало движение иона в желаемую суперпозицию, распутывая две системы, но не нарушая при этом состояние движения.

Природу созданных состояний подтвердили с помощью так называемой квантовой томографии состояния, которая восстанавливает полное квантовое состояние по серии измерений. Восстановленные состояния демонстрировали интерференционные картины и области отрицательных значений в математическом представлении, известном как функция Вигнера, — признаки того, что состояния являются подлинно квантовыми и не могут быть описаны как обычные классические смеси. Оказалось, при заданной средней энергии новые суперпозиции демонстрируют большую квантовую ресурсность, чем стандартные состояния кота или состояния Фока, — что может быть полезным в квантовых вычислениях.

«Нас очень воодушевила реакция коллег, когда мы показали им, что нам удалось получить. Мы считаем, что все еще лишь прикасаемся к поверхности возможного — как по части практических приложений, так и в плане более фундаментального понимания этих состояний», — сказал руководитель исследования Рагхавендра Шринивас с факультета физики Оксфорда.

Эта работа открывает путь к созданию более богатых квантовых технологий на непрерывных переменных, где информация кодируется в степенях свободы, подобных осцилляторам, а не только в двухуровневых кубитах. Новые состояния могут стать полезным ресурсом для бозонной квантовой коррекции ошибок, а также дать возможности для изучения впечатляющего разрыва между квантовым поведением и привычной классической физикой.