Физики из Оксфордского университета создали новый тип квантовой суперпозиции — явления, которое часто объясняют через знаменитого кота Шрёдингера.
В классическом мысленном эксперименте кот считается одновременно живым и мёртвым, пока за ним не наблюдают. В реальности учёные, конечно, не используют котов, но регулярно создают суперпозиции в лаборатории: атомы, свет и даже движение могут находиться сразу в нескольких квантовых состояниях.
Такие состояния важны для квантовых компьютеров, сверхточных часов и других технологий. Но новая работа интересна тем, что физики пошли дальше обычных двух состояний вроде 0 и 1.
Обычный кубит может быть комбинацией 0 и 1 одновременно. Но квантовые системы способны на большее. Например, квантовые гармонические осцилляторы могут занимать множество энергетических уровней. Они описывают свет, вибрации и движение удерживаемых частиц.
Раньше учёные уже создавали так называемые «кошачьи состояния», где осциллятор находится в суперпозиции двух волновых пакетов, движущихся в противоположных направлениях. Эти пакеты называют когерентными состояниями — они ближе всего к привычному классическому движению.
Что сделали учёные
Команда из Оксфорда показала совершенно новое семейство квантовых суперпозиций.
Вместо того чтобы собирать «кошачьи» состояния из обычных когерентных волновых пакетов, исследователи использовали компоненты, которые уже сами по себе являются сильно неклассическими.
Например, в суперпозициях сжатых состояний квантовая неопределённость распределяется по-разному в разных частях состояния.
Эксперимент был построен на движении одного удерживаемого иона. Такая система удобна тем, что объединяет сразу два квантовых объекта. Внутреннее состояние иона ведёт себя как кубит, а его движение — как квантовый гармонический осциллятор с множеством возможных состояний.
Именно это позволяет создавать квантовые состояния, которые выходят далеко за пределы обычных кубитов.
Чтобы получить новые состояния, учёные сначала создали взаимодействия, связывающие внутреннее состояние иона с разными вариантами его движения. Затем они провели квантовое измерение внутри схемы. После этого движение иона «схлопнулось» в нужную суперпозицию неклассических компонентов.
Ведущий автор работы доктор Себастьян Санер из факультета физики Оксфордского университета объяснил, что такой подход дал команде инструмент, позволяющий придавать квантовой суперпозиции почти любую форму.
Квантовые состояния можно было «настраивать»
Новый метод дал исследователям высокий уровень контроля.
Меняя параметры эксперимента, они могли управлять размером, ориентацией и расстоянием между компонентами суперпозиции. Благодаря этому на одной и той же системе с удерживаемым ионом удалось создать множество необычных квантовых состояний движения.
После этого учёные напрямую восстановили эти состояния. Измерения показали интерференционные узоры и области вигнеровской отрицательности. Это важные признаки того, что такие состояния нельзя описать как обычную классическую смесь.
Иными словами, эксперимент действительно создал настоящие квантовые суперпозиции, состоящие из по-настоящему неклассических состояний движения.
Сейчас команда работает с теоретиками, чтобы лучше понять, насколько «квантовыми» являются эти новые состояния.
Доктор Рагхавендра Шринивас, руководивший работой, отметил, что реакция коллег очень воодушевила исследователей. По его словам, они пока только начинают понимать, что возможно — как для практических применений, так и для фундаментального изучения таких состояний.
Чем это может быть полезно
Работа указывает на будущие квантовые технологии, которые будут использовать не только простые кубиты, но и квантовые осцилляторы.
Одно из самых перспективных направлений — квантовые вычисления. Такие состояния могут быть более устойчивыми к ошибкам и при этом поддерживать более простые и эффективные стратегии их исправления.
Но значение работы не ограничивается компьютерами. Новая платформа может помочь изучать один из главных вопросов физики: где проходит граница между классическим миром, который мы наблюдаем каждый день, и скрытой квантовой реальностью, которая лежит в его основе.
