Физики создали рекордно крупное гибридное оптическое состояние кота Шрёдингера, в котором свет одновременно существует в двух различимых состояниях и остаётся квантово связан с отдельным фотоном. В эксперименте параметр размера такого кота α² достиг 2,4 против прежнего рекорда 1,4.
Никакого настоящего кота в установке, конечно, нет. Роль животного из знаменитого мысленного эксперимента играет импульс света. В обычной физике система должна выбрать одно состояние, но квантовая механика позволяет до измерения удерживать сразу несколько вариантов. В данном случае исследователи заставили свет находиться в суперпозиции двух когерентных состояний, которые можно представить как два разных положения одной и той же световой волны в фазовом пространстве.
Чем дальше такие состояния расходятся друг от друга, тем крупнее получается квантовый кот и тем легче окружающей среде его разрушить. Малейшие потери света, шум или взаимодействие с внешним миром постепенно стирают квантовую связь между двумя вариантами. Поэтому увеличение параметра α² с 1,4 до 2,4 важно не само по себе: физикам удалось раздвинуть составляющие суперпозиции заметно дальше и всё же сохранить их квантовые свойства.
Главным инструментом стали атомы в ридберговском состоянии. Один электрон в таком атоме получает очень много энергии и уходит далеко от ядра. Из-за огромного электронного облака возбуждённые атомы начинают особенно сильно чувствовать соседей. Благодаря этому один фотон способен заметно изменить условия, в которых проходит другой, хотя световые частицы в обычных условиях почти не взаимодействуют между собой.
Исследователи использовали этот эффект как своеобразный квантовый переключатель. Сначала управляющий фотон переводили в суперпозицию двух путей. В одном варианте фотон превращался внутри оптического резонатора в коллективное ридберговское возбуждение атомов, в другом обходил резонатор. Затем через установку проходил основной световой импульс. Если ридберговское возбуждение присутствовало, резонатор менял фазу света на π, то есть фактически переворачивал волну относительно второго варианта.
После возвращения управляющего фотона получались два различимых состояния светового импульса, связанные с двумя вариантами его поляризации. Именно такая связь и создаёт гибридного кота: одна часть квантовой системы хранится в непрерывном состоянии светового поля, а другая в дискретном состоянии отдельного фотона.
В основе установки лежит ридберговская электромагнитно-индуцированная прозрачность. Название звучит сложнее самого принципа. Лазер заставляет атомную среду пропускать свет там, где без дополнительного воздействия она поглощала бы его. Если внутри среды появляется ридберговское возбуждение, сильное взаимодействие атомов меняет условия прохождения света. Такой механизм позволяет управлять отдельными фотонами гораздо сильнее, чем обычные оптические материалы, и одновременно бороться с декогеренцией, то есть постепенным разрушением суперпозиции.
Физики создали шесть состояний разного размера и проверили их с помощью квантовой томографии. По сути, исследователи много раз измеряли свет с разных сторон и затем восстановили его квантовое состояние, подобно тому как компьютерная томография собирает объёмное изображение объекта из множества снимков.
У всех полученных нечётных состояний кота функция Вигнера содержала отрицательные области. Функция Вигнера служит своеобразной картой квантового состояния света. Обычный классический свет можно описать без отрицательных участков, поэтому появление таких областей указывает на поведение, которое нельзя свести к привычной классической оптике.
Даже самый крупный кот сохранил квантовую запутанность. При α² = 2,4 точность соответствия состоянию Белла составила 51,2 ± 0,4%. Для использованного критерия граница проходит на уровне 50%, поэтому результат немного, но статистически заметно превысил порог.
Предыдущий рекорд установили в 2019 году с помощью одного атома внутри высокодобротного оптического резонатора. Тогда α² достиг 1,4. Схемы на обычных нелинейных оптических материалах ранее получали значения примерно до 0,8, поэтому ридберговский ансамбль заметно увеличил расстояние между двумя частями суперпозиции.
До по-настоящему огромных квантовых котов физикам всё ещё далеко. Главной проблемой остаются потери фотонов: при формировании состояния эффективные потери достигали 20,2 ± 1,1%, а система регистрации дополнительно теряла около 21% света. Мешали также ограниченное время взаимодействия, неполная ридберговская блокада, взаимодействие фотонов внутри самого импульса и фазовый шум лазеров.
Авторы предлагают увеличить длительность световых импульсов, уменьшить радиус атомного ансамбля и точнее стабилизировать лазеры. Более ранние расчёты той же группы показывали, что ридберговская схема потенциально способна работать и с гораздо более крупными оптическими состояниями, однако нынешний эксперимент до таких масштабов пока не дошёл.
Гибридные состояния интересны для квантовых технологий, потому что объединяют два разных способа хранить информацию. Один использует отдельные квантовые состояния, например поляризацию фотона, другой кодирует данные в непрерывных свойствах светового поля. Подобные системы рассматривают для оптических квантовых вычислений и передачи квантовой информации. Новая работа пока не демонстрирует готовый вычислитель или канал связи, но показывает, что крупные световые суперпозиции можно создавать и удерживать лучше, чем раньше.