Фізики виявили новий вид інтерференції – так звані гіперкубові стани. Вони тісно споріднені з «котом Шредінгера», знаменитим мисленнєвим експериментом квантового нашарування. Проте, на відміну від квантового кота, в гіперкубі можуть нашаровуватися понад два стани. Це відкриває нові можливості у сфері квантових датчиків і квантової комунікації.
Нещодавно виявлені гіперкубові стани уможливлюють суперпозицію понад двох квантових станів - вони можуть бути представлені у вигляді вершин багатовимірного куба. Зображення: EQUS.
Інтерференція – типове явище для квантового світу. При цьому частинка може набувати кількох квантових станів водночас, і лише вимірювання кладе край цій суперпозиції. Аналогією цього є знаменитий мисленнєвий експеримент з котом Шредінгера: тварина, що сидить у закритому ящику, перебуває в стані між життям і смертю, допоки хтось не загляне до коробки. Ці інтерференційні стани науковці виявили в електронах, фотонах і навіть у молекулах. Також вже розроблена мобільна версія Шредінгерового кота і «квантового кота», що сидить у двох ящиках водночас.
Всі ці нашарування мають дещо спільне: вони стосуються суперпозиції лише двох квантових станів. Але кілька років тому фізики вперше виявили такі форми нашарування, коли частинки набувають одразу чотирьох класичних станів за раз. У цих так званих «компасних станах» фотони продукують надтонку, шахову інтерференційну структуру.
Проте це – ще не межа, продемонстрували нещодавно Левіс Говард (Lewis Howard) з Квінслендського університету та його колеги. Вони відкрили цілком новий клас квантових станів, який виявився тісно спорідненим з дотепер відомими варіантами інтерференції. «Ці стани охоплюють кота Шредінгера та компасні стани як особливі випадки найнижчого порядку», – пояснюють фізики.
Нововідкриті стани квантового куба становлять собою досі невідому рідню для Шредінгерового кота – безкінечно велику сім’ю суперпозицій різних чотирьох квантових станів. «Ці гіперкубові стани ми виявили майже випадково, коли експериментували з крихітними мембранами, щоб розробити стани для нових квантових датчиків», – повідомив провідний автор Мартін Рінґбауер (Martin Ringbauer) з Інсбруцького університету.
Розпізнати ці гіперкубові стани можна за їхньою геометрією: якщо представити їхні хвильові функції мірою ймовірності, складові інтерференції утворюватимуть кути багатовимірного куба, пояснили вчені. Збільшення кількості інтерференційних станів передбачає ускладнення й структури цього гіперкуба. В експерименті вдалося створити кілька цих гіперкубових станів.
Новий клас інтерференції захоплює своїми наслідками: виникають квантовомеханічні інтерференційні структури, чиє розширення менше, ніж одиниця Планка – відстань, яку вважають найменшою фізично можливою дистанцією між двома частинками. «Квантова теорія пропонує шлях, яким можна обійти ці межі, – пояснює Говард з колегами. – Вона демонструє ознаки такого порядку величин, що менший від одиниці Планка». Це стосується також нововиявлених гіперкубових станів: «Навіть коли стани на кутах гіперкуба мають мінімальні показники, вищий вимір гіперкуба породжує тоншу схему інтерференції», – сказав Рінґбауер. Він порівнює це з хвилями у ставку, коли навіть великий камінь може породити дуже тоненькі інтерференційні візерунки на воді.
Це означає: гіперкубові стани можуть знадобитися для того, щоб створювати сенсори з безмежним розширенням. Тонкі інтерференційні структури могли б при цьому маркувати масштаб: «Ми очікуємо, що гіперкубові стани матимуть різноманітне застосування в таких сферах: квантові датчики, теорія квантової інформації, а також у квантовофізичних фундаментальних дослідженнях», – констатував Говард зі своїми колегами.
Nadja Podbregar
Schrödingers Katze bekommt Familie
Universität Innsbruck, 25/07/2019
Зреферувала С. К.