Одна из самых удивительных особенностей квантовой механики заключается в том, что объекты могут одновременно существовать в нескольких состояниях. Конечно, легендарный кот Шредингера остается мысленным экспериментом, но ученые регулярно создают реальные квантовые суперпозиции в лабораториях. Атомы, свет и даже движение можно поместить одновременно в несколько квантовых состояний. Способность генерировать и контролировать такие состояния критически важна для квантовых компьютеров и сверхточных атомных часов.
Самый простой пример — квантовый бит, или кубит, который может существовать в комбинации 0 и 1 одновременно. Однако квантовые системы способны на гораздо большее. Квантовые гармонические осцилляторы, которые могут занимать множество энергетических уровней, открывают для ученых значительно более богатые возможности. Они описывают самые разные физические системы: свет, вибрации, движение захваченных частиц. Один из известных примеров — «кошачьи состояния», где осциллятор существует как суперпозиция двух волновых пакетов, движущихся в противоположных направлениях. Эти пакеты представляют собой когерентные состояния — наиболее близкие квантовые эквиваленты классического движения.
Специалисты Оксфордского университета продемонстрировали совершенно новое семейство квантовых суперпозиций. Вместо построения состояний из когерентных волновых пакетов, физики разработали технику, комбинирующую широкий спектр компонентов, которые уже являются глубоко неклассическими. Например, в суперпозициях сжатых состояний квантовая неопределенность распределена по-разному в каждой части состояния.
Эксперимент основывался на движении одного захваченного иона, который объединяет две различные квантовые системы: во внутреннем состоянии он ведет себя как кубит, а в движении — как квантовый гармонический осциллятор. Ученые сначала создавали запутанность между внутренним состоянием иона и различными состояниями его движения, а затем проводили квантовое измерение внутреннего состояния, что приводило к коллапсу движения иона в желаемую суперпозицию.
«Такой подход позволил нам формировать квантовую суперпозицию практически любой формы», — объясняет ведущий автор исследования, доктор Себастьян Занер.
Новый метод обеспечил высокую степень контроля. Настраивая экспериментальные параметры, ученые могли изменять относительный размер, ориентацию и разделение компонентов суперпозиции. Измерения выявили интерференционные паттерны и отрицательность функции Вигнера — явные признаки того, что созданные состояния невозможно описать как классические смеси.
Такие состояния могут быть более устойчивы к ошибкам в квантовых вычислениях и поддерживать более эффективные стратегии коррекции ошибок. Работа физиков из Оксфорда может помочь в развитии квантовых вычислений, улучшении технологий сверхточных измерений и углублении понимания фундаментальных основ квантовой физики.
Ранее ученые создали самую большую в истории квантовую суперпозицию.
Источник: hi-tech.mail.ru