Физики предложили новый способ создания квантового кота Шредингера

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда.

В мире квантовой физики состояние «кота Шредингера» представляет собой один из самых ярких парадоксов. Это квантовая суперпозиция — одновременное существование системы в двух макроскопически различных состояниях. Если в знаменитом мысленном эксперименте речь шла о коте, который одновременно и жив, и мертв, то в квантовой оптике «котом» называют световое поле, которое находится сразу в двух состояниях, например, с разной фазой или амплитудой, подобно камертону, вибрирующему одновременно в двух противоположных направлениях. Такие состояния важны для квантовых вычислений, сверхточных измерений и квантовой связи.

До недавнего времени основной «фабрикой» по производству световых «котов» считался процесс генерации высоких гармоник. При этом методе мощный лазерный импульс заставляет атом поглотить множество фотонов и затем переизлучить один фотон с очень высокой энергией. Процесс оставляет своего рода «квантовый шрам» на исходном лазерном поле, превращая его в состояние кота Шредингера. Однако у этого метода есть фундаментальное ограничение: он эффективно работает только тогда, когда атомы в среде остаются в основном нейтральными. Появление большого количества свободных электронов в результате ионизации газа резко снижает эффективность метода генерации высоких гармоник.

В МФТИ «состарили» квантовые точки в пробирке Ученые из Московского физико-технического института и Института проблем химической физики РАН предложили простой и удобный способ получения квантовых точек определенного размера с помощью химическо… naked-science.ru

Коллектив российских физиков решил взглянуть на эту проблему под совершенно другим углом. Вместо того чтобы бороться со свободными электронами, они задались вопросом: а что, если именно эти, казалось бы, мешающие частицы могут стать ключом к созданию «котов Шредингера»? Ученые построили теоретическую модель, в которой главным действующим лицом стало не взаимодействие света с атомами, а его взаимодействие со «шлейфом» свободных электронов, которые неизбежно появляются при прохождении мощного лазера через газ.

Центральным физическим процессом в их модели стало рассеяние Томсона, при котором фотон упруго «отскакивает» от свободного электрона. Каждый акт рассеяния, пусть и крошечный по своему влиянию, вносит свой вклад в коллективный отклик. В результате исходное когерентное состояние лазерного поля, которое можно представить как гладкую, предсказуемую волну, испытывает едва заметный сдвиг в фазовом пространстве. Таким образом, после взаимодействия в системе одновременно сосуществуют два состояния: исходное, нетронутое поле и поле, испытавшее этот коллективный «толчок» от электронов. Если затем провести специальное измерение, отфильтровав хотя бы один рассеянный фотон, все гигантское лазерное поле коллапсирует в квантовую суперпозицию этих двух состояний — то есть, становится полноценным котом Шредингера.

Функция Вигнера для светового поля, которое находится в состоянии «кота Шредингера». На панелях (a) и (b) показано состояние при разных значениях параметров. Обведена область отрицательных значений функции Вигнера, наличие которой как раз и является критерием классичности состояния (это визуальное подтверждение квантовой суперпозиции и интерференции). На панели (a) состояние с более выраженной “неклассичностью”, а на панели (b) квантовость менее выражена, зато получено больше фотонов в этом состоянии / © Evgeny S. Andrianov and Oleg I. Tolstikhin, Physical Review A

Евгений Андрианов, старший научный сотрудник и доцент кафедры теоретической физики имени Л. Д. Ландау МФТИ, так прокомментировал результаты работы: «Мы привыкли думать, что свободные электроны в экспериментах по генерации «котов» — это помеха, от которой нужно избавляться, чтобы не мешать тонкому процессу генерации высоких гармоник. Мы же показали, что эти электроны — не враги, а союзники. Их коллективный «танец» с фотонами лазерного поля оставляет на свете уникальный квантовый отпечаток. Поймав всего один рассеянный фотон, мы, по сути, заставляем все огромное световое поле «признаться», что оно побывало в двух состояниях одновременно, то есть стало котом Шредингера».

Главное преимущество предложенного механизма заключается в его универсальности. В отличие от метода генерации высоких гармоник, который крайне чувствителен к поляризации света и практически не работает для циркулярно поляризованного лазерного излучения (в котором вектор электрического поля вращается подобно штопору), механизм Томсоновского рассеяния работает и в этом случае. Это открывает перед экспериментаторами уникальную возможность: используя циркулярно поляризованный лазер, они могут полностью «выключить» конкурирующий процесс генерации высоких гармоник и изучать новый механизм в чистом виде, без посторонних эффектов. Это значительно упрощает постановку эксперимента и анализ результатов.

Более того, авторы показали, что свойствами «кота» можно гибко управлять. Варьируя параметры эксперимента, можно достичь компромисса: либо получить состояние с ярко выраженными квантовыми свойствами (глубокими отрицательными областями на функции Вигнера), либо состояние с большим числом фотонов, но с менее выраженной «квантовостью».

Эта работа не только предлагает новый, более надежный и гибкий инструмент для создания неклассических состояний света, но и углубляет наше понимание сложных процессов, разворачивающихся на стыке квантовой оптики и физики сверхсильных полей. Она превращает то, что считалось помехой, в полезный ресурс и открывает новые перспективы в экспериментальном исследовании квантового мира.