Вперше фізики зреалізували особливий варіант Шредінгерового кота – знаменитого мисленнєвого експерименту на тему квантовофізичних станових накладень. У своєму експерименті вчені перенесли суперпозицію впійманого атома на лазерні імпульси. Так вдалося відтворити оптичну версію «кота», який виявився також мобільним і видимим у своїй квантовій мережі, повідомили науковці в журналі «Nature Photonics».
Дослідники пов'язали світловий імпульс із станом суперпозиції атома. Зображення: Christoph Hohmann, Nanosystems Initiative Munich (NIM).
Явище суперпозиції – незвична особливість квантового світу: воно передбачає, що атоми чи інші частинки перебувають у різних ймовірних станах доти, доки їхнього стану не виміряють. 1935 року фізик Ервін Шредінгер пояснив цей феномен знаменитим мисленнєвим експериментом. У ящику сидить кіт, чиє життя залежить від розпаду радіоактивних атомів. Якщо вони розпадаються, вивільняється отрута і кіт помирає. Але поки не заглянути в ящик, у квантовомеханічному сенсі кіт водночас і мертвий, і живий.
Відтоді фізики моделювали такі квантовофізичні суперпозиції з допомогою багатьох систем та частинок – з електронами, групами фотонів та навіть з молекулами та понад 400 атомів.
Новий варіант кота Шредінгера застосували науковці на чолі з Ґерхардом Ремпе (Gerhard Rempe) з Інституту квантової оптики імені Макса Планка. Особливість такого моделювання полягала в тому, що їхній «кіт» зміг залишити ящик і все ж зоставатися в стані суперпозиції.
«Оптичні стани кота, якого ми реалізували, не закриті в ящику, вони можуть літати, – пояснив Ремпе. – Проте вони ізольовані від середовища і так зберігаються навіть на великих відстанях». В експерименті «ящик» складався з оптичного резонатора, порожнини з двома випуклими дзеркалами. У нього ловили атом рубідію, чиї квантові стани науковці переносили у стани суперпозиції. Тут з’являється «кіт»: він складається з лазерних імпульсів, що в результаті взаємодії з резонатором накладаються на атом – і також переймають його стан суперпозиції.
У результаті цієї взаємодії фотони лазерного імпульсу стають еквівалентом кота Шредінгера. «Нам вдалося створити летючі оптичні стани кота і продемонструвати, що вони відповідають передбаченням квантової механіки, – повідомив співавтор Стефан Вельте (Stephan Welte). – Так ми можемо довести, що наш метод функціонує, і продовжувати дослідження того, які параметри є вирішальними».
Але новий метод годиться не лише для того, щоб переносити стани суперпозиції атомів на рухомі фотони. Завдяки йому можна водночас керувати видом цих станів: «У нашому експерименті ми не лише створили певний стан кота, ми здійснили скільки завгодно станів з різними етапами накладення – такий собі квазізоопарк», – пояснив колега Вельта Бастіан Гакер (Bastian Hacker).
З огляду на те, що в цій системі «кіт» є мобільним, в майбутньому вона може згодитися для того, щоб кодувати та переносити квантову інформацію. Адже фотони зберігають свої стани суперпозиції навіть тоді, коли їх, наприклад, пересилають через скловолокно, пояснили дослідники. Наприклад, таких котів можна буде використовувати як кубіт у квантовому комп’ютері.
«У майбутньому ми б хотіли з допомогою цієї технології організувати всю квантову мережу, в якій летючі оптичні коти переноситимуть інформацію», – сказав Ремпе.
Атом затискають у резонаторі між двома дзеркалами (ліворуч). Відбитий світловий імпульс накладається на атом, два пагорби демонструють накладення (праворуч). Зображення: Bastian Hacker/ Max-Planck-Institut für Quantenoptik.
Nadja Podbregar
Schrödingers Katze aus Licht
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 17.01.019
Bastian Hacker, Stephan Welte, Severin Daiss, Armin Shaukat, Stephan Ritter, Lin Li & Gerhard Rempe
Deterministic creation of entangled atom–light Schrödinger-cat states
Nature Photonics, 14.01.2019
Зреферувала С. К.
20.01.2019