Физики из Оксфорда создали «странного кота Шрёдингера» из неклассических компонентов

Реконструированная функция Вигнера суперпозиции двух трисжатых состояний. Её шестикратная вращательная симметрия и области отрицательности Вигнера раскрывают высоко неклассическую квантовую интерференцию в движении иона. Credit: Department of Physics, University of Oxford

Исследователи из Оксфордского университета создали новый тип квантовой суперпозиции — явления, часто ассоциирующегося со знаменитым мысленным экспериментом «Кот Шрёдингера». В отличие от предыдущих версий, эти вновь продемонстрированные состояния построены из высококлассических квантовых компонентов. Это достижение может помочь продвинуть квантовые вычисления за пределы традиционных бинарных систем, улучшить сенсорные технологии и дать новое понимание основ квантовой физики.

Одна из самых удивительных особенностей квантовой механики заключается в том, что объекты могут существовать в нескольких состояниях одновременно. Эта концепция обычно иллюстрируется «котом Шрёдингера» — гипотетическим котом, который считается одновременно живым и мёртвым, пока за ним не наблюдают.

Хотя мысленный эксперимент является вымышленным, учёные регулярно создают реальные квантовые суперпозиции в лабораториях. Атомы, свет и даже движение могут быть помещены в несколько квантовых состояний одновременно. Способность генерировать и контролировать эти состояния имеет решающее значение для таких технологий, как квантовые компьютеры и сверхточные часы.

Знакомым примером является квантовый бит, или кубит, который может существовать в комбинации 0 и 1 одновременно. Однако квантовые системы способны на гораздо большее, чем просто двухуровневое поведение.

Квантовые гармонические осцилляторы, которые могут занимать множество энергетических уровней, предлагают гораздо более богатый набор возможностей. Эти осцилляторы описывают широкий спектр физических систем, включая свет, вибрации и движение захваченных частиц. Учёные использовали их для создания множества различных видов квантовых суперпозиций. Одним из хорошо известных примеров является «котовое состояние», где осциллятор существует как суперпозиция двух волновых пакетов, движущихся в противоположных направлениях. Эти волновые пакеты, называемые когерентными состояниями, являются ближайшими квантовыми аналогами классического движения.

Построение квантовых состояний из неклассических компонентов

Команда из Оксфорда продемонстрировала совершенно новое семейство квантовых суперпозиций.

Вместо построения котовых состояний из когерентных волновых пакетов, исследователи разработали метод, который комбинирует широкий спектр квантовых компонентов, уже являющихся высококлассическими. В суперпозициях сжатых состояний, например, квантовая неопределённость распределяется по-разному в каждой части состояния.

Эксперимент основывался на движении одного захваченного иона. Захваченный ион объединяет две различные квантовые системы на одной платформе. Его внутреннее состояние ведёт себя как кубит, в то время как его движение действует как квантовый гармонический осциллятор, который может занимать множество различных состояний движения. Такое сочетание делает захваченные ионы особенно полезными для создания квантовых состояний, выходящих за рамки обычных кубитов.

Чтобы генерировать новые состояния, исследователи сначала создали взаимодействия, которые запутывали внутреннее состояние иона с различными возможными состояниями движения. Затем они выполнили промежуточное квантовое измерение внутреннего состояния, в результате чего движение иона коллапсировало в желаемую суперпозицию неклассических компонентов.

«Этот подход дал нам инструмент для «лепки» квантовой суперпозиции практически в любую форму», — объясняет ведущий автор доктор Себастьян Занер (физический факультет Оксфордского университета).

Программируемый контроль экзотических квантовых состояний

Новый метод дал команде высокую степень контроля над создаваемыми квантовыми состояниями.

Регулируя экспериментальные параметры, они могли изменять относительный размер, ориентацию и разделение компонентов внутри суперпозиции. Эта гибкость позволила им создать широкий спектр необычных квантовых состояний движения, используя одну и ту же систему захваченных ионов.

Затем исследователи напрямую реконструировали квантовые состояния. Их измерения выявили интерференционные картины и области отрицательности функции Вигнера — явные признаки того, что состояния нельзя описать как обычные классические смеси. Эти наблюдения подтвердили, что эксперимент успешно создал подлинные квантовые суперпозиции, состоящие из истинно неклассических состояний движения.

Сейчас команда работает с теоретиками, чтобы лучше понять, насколько «квантовыми» на самом деле являются эти вновь созданные состояния.

«Мы были очень воодушевлены реакцией наших коллег, когда показали им, что мы создали. Мы считаем, что мы всё ещё только начинаем понимать, что возможно, как с точки зрения практического применения, так и для понимания этих состояний на более фундаментальном уровне», — говорит доктор Рагхавендра Шринивас (физический факультет Оксфордского университета), руководивший работой.

Потенциальное влияние на квантовые вычисления

Исследование указывает на будущие квантовые технологии, которые будут полагаться на квантовые осцилляторы вместо только простых квантовых битов.

Одним из особенно многообещающих применений являются квантовые вычисления. Такие типы состояний могут быть более устойчивыми к ошибкам, а также поддерживать более простые и эффективные стратегии коррекции ошибок. Помимо вычислений, они предоставляют новую экспериментальную платформу для исследования одного из самых больших вопросов физики: где проходит граница между классическим миром, который мы воспринимаем, и лежащей в его основе квантовой реальностью, которая им управляет.

Источники:

Материалы предоставлены Оксфордским университетом.

S. Saner, O. Băzăvan, D. J. Webb, G. Araneda, D. M. Lucas, C. J. Ballance, R. Srinivas. Generating Arbitrary Superpositions of Nonclassical Quantum Harmonic Oscillator States. Physical Review X, 2026; 16 (2) DOI: 10.1103/k1xk-yt42