Оксфордские физики научились лепить кота Шрёдингера почти в любую форму

Почти век назад австрийский физик Эрвин Шрёдингер придумал мысленный эксперимент с котом, который одновременно жив и мёртв, чтобы показать всю странность квантовых суперпозиций. Теперь физики из Оксфордского университета создали целое новое семейство таких "кошачьих состояний".

Квантовая суперпозиция, это способность системы находиться сразу в нескольких состояниях, а наблюдение словно выбирает одно итоговое. Важно, что речь идёт не об обычной неопределённости и не о простом незнании, в каком состоянии система. Возможности связаны строгими закономерностями и могут интерферировать друг с другом, как волны.

Команда под руководством Себастьяна Санера описала новый способ создавать и контролировать суперпозиции в движении одиночного иона стронция, помещённого в ионную ловушку.

Такой ион удобен тем, что объединяет две квантовые системы сразу, внутреннее электронное состояние работает как кубит, а движение иона вдоль ловушки ведёт себя как квантовый гармонический осциллятор со множеством доступных состояний. Связав эти две степени свободы, исследователи смогли управлять движением через кубит, как через рычаг.

Метод строится на двух шагах. Сначала специально настроенные взаимодействия запутывают внутреннее состояние иона с разными вариантами его движения, а затем измерение этого состояния посреди цепочки проецирует движение в нужную суперпозицию, разводя две системы и не возмущая само движение.

Такой подход дал нам инструмент, чтобы лепить квантовую суперпозицию практически в любую форму.

По его словам, спин перестал просто посредничать во взаимодействии и сам стал орудием для лепки квантового состояния.

Главное отличие новых состояний в том, что их компоненты сами по себе глубоко неклассические. Вместо привычных когерентных волновых пакетов в суперпозицию сводятся сжатые, трижды и четырежды сжатые состояния движения, различающиеся по внутренней структуре и ориентации.

Управление получилось программируемым. Меняя настройки эксперимента, команда регулировала относительный размер, поворот и разнесение компонентов, получая в одной и той же ловушке широкий набор экзотических суперпозиций с характерной интерференцией и вращательной симметрией.

Часть таких состояний теоретики предсказали более 30 лет назад, но настоящим вызовом было создать их в лаборатории и доказать, что они действительно есть. Именно эту задачу и удалось решить.

Практический интерес тоже есть. Ионы в ловушках часто служат основой квантовых компьютеров, а точный и гибкий метод управления может пригодиться в вычислениях, симуляциях и сенсорах, например для измерения крошечных смещений и слабых электрических полей.

Учёные создали миниатюрные огненные шары для изучения ядерных осадков

Космические "красные точки" могут оказаться осколками вселенной до Большого взрыва

Открытыми остаются и фундаментальные вопросы. Команда отмечает, что пока нет удачной меры того, насколько "квантовыми" оказываются такие смешанные состояния, а одного числа вроде точности воспроизведения для их описания не хватает.

Руководивший работой Рагхавендра Сринивас добавил, что коллеги встретили результат с воодушевлением, и команда, по его словам, пока лишь скользит по поверхности возможного, как с точки зрения приложений, так и для более глубокого понимания этих состояний.