Физики продолжают экспериментировать с легендарным котом Шредингера, только на этот раз речь идет не о мысленном эксперименте, а о реальной системе из света и атомов. Команда под руководством Хендрика Хегельса из Института квантовой оптики Общества Макса Планка в Германии создала оптическую версию знаменитого эксперимента и получила суперпозицию двух состояний света, побив прежние рекорды по размеру такой системы. Для этого ученые использовали ридберговские атомы. О своей работе они сообщили на сервере препринтов arXiv. При чем тут кот
Мысленный эксперимент Эрвин Шредингер придумал в 1935 году. На самом деле речь в нем никогда не шла о настоящем животном. Физик хотел показать, что происходит, если странное квантовое явление, суперпозиция, оказывается перенесено в привычный нам мир. В его примере кота запирают в коробке с механизмом, который может сработать после случайного квантового события и убить животное. Пока коробку не открыли, система остается в суперпозиции двух вариантов: кот одновременно жив и мертв.
На практике физики создают суперпозиции не котов, а состояний частиц. Чем сильнее эти состояния отличаются друг от друга, тем «крупнее» считается кот Шредингера. Но чем дальше друг от друга состояния, тем легче окружающая среда разрушает их хрупкую квантовую связь — этот процесс называют декогеренцией.
Атомы-переростки
Ридберговский атом — это обычный атом, у которого один электрон получил столько энергии, что его орбита раздулась и отодвинулась от ядра далеко за привычные пределы. Электрон при этом держится на грани отрыва, из-за чего такие атомы ведут себя утрированно ярко и удобны для экспериментов.
Немецкие ученые изучали, насколько сильно такие атомы могут взаимодействовать друг с другом. Если один атом перевести в возбужденное состояние, он не дает соседним атомам возбудиться таким же образом. Это явление называют ридберговской блокадой. Именно его исследователи использовали, чтобы добиться косвенного взаимодействия между фотонами.
Как устроен эксперимент
Ученые поместили облако атомов между двумя зеркалами — получилась оптическая полость, где свет многократно проходит сквозь облако, усиливая взаимодействие. Внутрь запустили два световых импульса подряд — «контрольный» и «целевой».
Контрольный импульс подготовили в суперпозиции двух поляризаций — направлений колебания световой волны. Прибор развел эти варианты по разным путям: один просто огибал облако, второй взаимодействовал с атомами и оставлял в них ридберговское возбуждение. В итоге облако оказалось одновременно и с возбуждением, и без него.
Затем ученые запускали целевой импульс. Из-за ридберговской блокады его взаимодействие с облаком зависело от того, было ли атомное возбуждение. В одном случае волна сохраняла исходную фазу, в другом сдвигалась. Поскольку возбуждение находилось в суперпозиции, целевой свет одновременно получил оба варианта и тоже оказался в суперпозиции. Так и возник «кот Шредингера», только вместо живого и мертвого животного здесь существуют два состояния света с разной фазой волны.
Насколько крупным вышел кот
Размер таких состояний измеряют величиной альфа в квадрате (α²). Команда Хегельса достигла значения 2,4 — заметно больше прежнего рекорда в 1,4 для этого типа состояний.
Мало просто получить два разных состояния света — нужно доказать, что между ними сохранилась именно квантовая связь. Проведя множество измерений, исследователи нашли характерный признак квантового поведения во всех шести созданных состояниях — значит, даже вырастая, кот не потерял квантовую природу.
Зачем это нужно
Более крупные коты полезны не только для поиска границы между квантовым и классическим мирами. Чем четче удается развести состояния, сохранив их связь, тем удобнее использовать такие системы для хранения и обработки квантовой информации.
Исследователи считают эксперимент далеким от предела — несколько его частей можно улучшить, а значит, в будущем кота удастся вырастить еще крупнее.