Физики продолжают ставить всё более необычные эксперименты с «котом Шрёдингера». Только речь, конечно, идёт не о настоящем животном, а о квантовых состояниях, которые учёные стараются сделать всё сильнее отличающимися друг от друга.
Теперь исследователи из Германии установили новый рекорд, создав особенно крупную оптическую версию знаменитого мысленного эксперимента. Для этого они использовали одни из самых необычных атомов в физике — так называемые ридберговские атомы.
Главный вопрос за такими опытами гораздо серьёзнее самого «кота»: где именно проходит граница между странным квантовым миром и привычной нам классической реальностью?
Квантовая механика прекрасно описывает поведение частиц на очень малых масштабах. Классическая физика столь же хорошо работает в повседневном мире. Но до сих пор не до конца понятно, как и почему квантовые неопределённости превращаются в привычные однозначные состояния.
Именно эту проблему в 1935 году попытался наглядно показать Эрвин Шрёдингер. В его мысленном эксперименте кот заперт в коробке вместе с механизмом, который может сработать в зависимости от случайного квантового события. Пока коробку не открыли, система описывается как суперпозиция двух возможностей: кот одновременно и жив, и мёртв.
В реальных квантовых экспериментах никаких котов не используют. Вместо этого учёные создают суперпозиции различных состояний частиц или света.
Чем сильнее отличаются друг от друга две составляющие суперпозиции, тем «больше» условный кот Шрёдингера. Однако есть проблема: чем дальше разнесены такие состояния, тем легче окружающая среда разрушает их квантовую связь.
В новом эксперименте исследователи решили увеличить это различие сильнее, чем удавалось раньше, и при этом сохранить квантовую когерентность.
Здесь и пригодились ридберговские атомы.
В обычном атоме электроны находятся относительно близко к ядру. Если электрону передать достаточно энергии, он может перейти в сильно возбуждённое состояние и оказаться значительно дальше от ядра. В ридберговском атоме такой электрон удалён настолько сильно, что атом становится огромным по атомным меркам.
Из-за этого ридберговские атомы обладают необычно сильным взаимодействием друг с другом. Если один атом уже переведён в такое состояние, он может мешать соседнему атому перейти в аналогичное. Это явление называют ридберговской блокадой.
Исследователи использовали этот эффект, чтобы заставить фотоны — частицы света — косвенно взаимодействовать друг с другом.
Для эксперимента облако атомов поместили между двумя зеркалами. Свет многократно отражался между ними и снова проходил через атомное облако, усиливая взаимодействие между светом и веществом.
Затем в установку последовательно отправили два световых импульса. Первый выступал в роли управляющего, второй — целевого.
Управляющий импульс подготовили в суперпозиции двух вариантов поляризации. Иными словами, квантово-механически он одновременно находился сразу в двух состояниях.
Установка направляла эти варианты по разным путям. Один обходил атомное облако, а второй взаимодействовал с ним и временно оставлял внутри информацию в виде ридберговского возбуждения.
В результате облако атомов оказывалось в суперпозиции двух состояний: возбуждение в нём одновременно как бы присутствовало и отсутствовало.
После этого внутрь направляли второй световой импульс.
Из-за ридберговской блокады он вёл себя по-разному в зависимости от того, было ли возбуждение в облаке. В одном случае фаза его световой волны сдвигалась относительно другого.
Поскольку само возбуждение находилось в суперпозиции присутствия и отсутствия, второй импульс тоже оказался одновременно в двух различных состояниях.
Именно это и стало оптическим «котом Шрёдингера».
В данном случае две его части отличались не состояниями «жив» и «мёртв», а фазой световых волн. Чем сильнее исследователи могли развести эти состояния, не разрушая их квантовую связь, тем больше становился условный кот.
Размер таких оптических состояний можно выражать специальным параметром. В новом эксперименте его значение достигло 2,4, тогда как предыдущий рекорд для такого типа состояний составлял 1,4.
Однако просто получить два различных состояния света недостаточно. Необходимо было доказать, что между ними действительно сохранилась квантовая когерентность.
Для этого исследователи многократно измеряли свойства света и обнаружили характерные признаки квантового поведения во всех шести созданных состояниях.
Таким образом, даже по мере увеличения различий между двумя частями суперпозиции система продолжала сохранять свою квантовую природу.
Такие эксперименты важны не только для фундаментального вопроса о границе между квантовой и классической физикой. Чем сильнее отличаются два состояния и чем лучше при этом сохраняется их квантовая связь, тем потенциально полезнее подобные системы могут оказаться для хранения и обработки квантовой информации.
При этом исследователи считают, что нынешний рекорд ещё не является пределом. Несколько элементов установки можно улучшить, что позволит создавать ещё более крупные состояния.
Где-то между микроскопическим квантовым миром и привычной реальностью должен существовать предел, после которого «кот Шрёдингера» уже не сможет сохранять суперпозицию. Создание всё более крупных состояний может помочь физикам приблизиться к пониманию того, где именно проходит эта граница.
Работа пока не прошла рецензирование и опубликована на сервере препринтов arXiv.
