Фізики з Оксфорда створили ще дивнішу «кота Шредінгера»

Уявіть, що «кіт Шредінгера» не просто одночасно живий і мертвий, а ще й зроблений із деталей, кожна з яких сама по собі поводиться «по-квантовому дивно». Саме такий новий тип квантового стану створили фізики Оксфордського університету, про що розповідає ScienceDaily. Це відкриває шлях до більш стійких квантових комп’ютерів і глибшого розуміння того, як насправді працює квантовий світ.

Що відомо коротко

• Дослідники з Оксфорда створили новий тип квантової суперпозиції, подібної до «кота Шредінгера», але з більш екзотичних компонентів.
• Замість звичних когерентних станів вони поєднали «вже некласичні» квантові стани, зокрема стиснені стани.
• Експеримент проводили з одним захопленим іоном, де внутрішній стан іона грає роль кубіта, а його рух — квантового осцилятора.
• Команда навчилася «ліпити» форму суперпозиції майже довільно, змінюючи розмір, орієнтацію та відстань між її компонентами.
• Такі стани можуть краще захищати інформацію від помилок і допомогти зрозуміти межу між класичним і квантовим світом.

Чому «кіт» з дивних деталей — це революція

У класичній версії думкового експерименту Шредінгера кіт одночасно живий і мертвий, поки ми не заглянемо в коробку. У лабораторії роль кота зазвичай грає квантовий осцилятор — система, яка може мати багато рівнів енергії, наприклад світло в резонаторі чи рух частинки в пастці.

Раніше «кота» будували з двох когерентних станів — це щось на кшталт двох акуратних хвиль, що рухаються в протилежні боки. Вони ще досить схожі на звичну нам фізику, тільки з квантовою «надбудовою». Оксфордські фізики пішли далі: вони взяли не «майже класичні» хвилі, а вже дуже дивні, перекручені квантові стани й змусили їх існувати разом у суперпозиції.

Це як зібрати кота не з двох звичайних фотографій, а з двох абстрактних картин, де вже порушені всі звичні правила перспективи й кольору — і при цьому обидві картини одночасно «правдиві» для однієї й тієї ж тварини.

Як один іон став майданчиком для екзотичних станів

У центрі експерименту — один захоплений іон. Його тримають у пастці за допомогою електричних полів, а лазери дозволяють дуже точно керувати як внутрішнім станом іона, так і його рухом.

Внутрішній стан іона поводиться як кубіт: він може бути в «0», «1» або в їхній суперпозиції. Рух іона — це квантовий гармонічний осцилятор, який може одночасно перебувати в багатьох мотиваційних (рухових) станах. Разом це дає універсальний «конструктор» для складних квантових конфігурацій.

Спершу дослідники налаштували взаємодію так, щоб заплутати внутрішній стан іона з різними можливими станами його руху. Потім вони виконали так зване квантове вимірювання посеред обчислення — «заглянули» лише у внутрішній стан. Це вимірювання змусило рух іона «обрати» конкретну суперпозицію некласичних компонентів.

Головна ідея: замість того, щоб просто створити суперпозицію двох «звичайних» рухів, команда навчилася комбінувати цілу палітру дивних квантових станів, наприклад стиснені стани, де квантова невизначеність розподілена дуже нерівномірно.

Програмоване «ліплення» квантових форм

Новий метод дав фізикам щось на кшталт 3D-редактора для квантових станів. Змінюючи параметри експерименту, вони могли налаштовувати, наскільки далеко «розходяться» компоненти суперпозиції, як вони орієнтовані та якої відносної «ваги» набувають.

Щоб переконатися, що вони справді створили те, що планували, дослідники відновили квантовий стан безпосередньо з вимірювань. Вони побачили складні інтерференційні візерунки та ділянки так званої негативності функції Вігнера — це математичний «відбиток пальця», який показує, що стан не можна пояснити звичайною класичною сумішшю.

Інакше кажучи, це не просто «кіт, який або живий, або мертвий, але ми не знаємо». Це кіт, який одночасно в обох станах у суто квантовому сенсі, і це видно в самій структурі його «хвильової картини».

За словами провідного автора, доктора Себастіана Санера (Sebastian Saner), такий підхід дав їм інструмент, щоб «вирізати» суперпозицію майже будь-якої форми. Керівник роботи доктор Рагавендра Срінівас (Raghavendra Srinivas) зазначає, що реакція теоретиків на отримані стани показала: дослідники лише починають досліджувати можливості цього підходу.

Що це означає для квантових комп’ютерів і не тільки

Сьогодні більшість квантових технологій будуються навколо кубітів — систем, які мають два основні стани, 0 і 1. Але квантові осцилятори, здатні до багатьох рівнів енергії, пропонують набагато багатший «алфавіт» для кодування інформації.

Нові суперпозиції з некласичних компонентів можуть стати основою для більш стійких квантових кодів. Деякі з таких станів теоретично краще переносять шум і помилки, а також дозволяють будувати простіші схеми виправлення помилок, ніж у звичайних кубітних системах.

Крім обчислень, ці стани можуть покращити квантові сенсори та надточні годинники, де важливо вловити найменші зміни поля чи часу. А ще вони дають новий інструмент, щоб експериментально досліджувати одне з найглибших питань фізики: де саме проходить межа між «звичайною» реальністю, яку ми бачимо, і дивним квантовим підґрунтям, яке не підкоряється інтуїції.

Цікаві факти

• Один захоплений іон у пастці може одночасно бути і «кубітом», і «квантовим осцилятором», поєднуючи дві різні ролі в одному експерименті.
• Негативність функції Вігнера — це своєрідний «лакмусовий папірець» квантовості: якщо вона з’являється, стан точно не можна пояснити класично.
• «Кіт Шредінгера» у фізиці — це не тварина, а загальна назва для суперпозицій дуже різних станів, які в класичному світі ніколи не співіснують.

FAQ

Ці нові стани вже використовують у реальних квантових комп’ютерах?

Поки що це лабораторний експеримент на одному іоні. Однак саме такі демонстрації показують, які будівельні блоки можуть стати основою майбутніх квантових процесорів, особливо тих, що працюють не лише з кубітами, а й з осциляторами.

Чим ці стани відрізняються від звичайних «котів Шредінгера»?

Класичні «коти» будуються з двох когерентних станів, які максимально схожі на звичний нам рух. Тут же компоненти суперпозиції вже самі по собі є некласичними, наприклад стисненими станами, тому вся конструкція набагато «квантовіша» і багатша за структурою.

Чи означає це, що ми ближче до розуміння межі між квантовим і класичним?

Такі експерименти дають нові інструменти, щоб цю межу «нащупати» на практиці. Створюючи дедалі складніші суперпозиції й спостерігаючи, як вони руйнуються або зберігаються, фізики можуть краще зрозуміти, як із квантового хаосу виникає стабільний класичний світ.

Наскільки «квантовими» є створені стани за оцінкою теоретиків?

Команда вже співпрацює з теоретиками, щоб кількісно описати ступінь їхньої квантовості. Перші реакції колег свідчать, що ці стани дуже далекі від будь-якої класичної інтерпретації, але повний аналіз ще триває.

Якщо раніше «кіт Шредінгера» був радше парадоксом для підручників, то тепер він перетворюється на гнучкий інструмент для інженерії квантових станів — і кожен новий такий «кіт», зібраний із дедалі дивніших деталей, наближає нас до світу, де ми не просто спостерігаємо квантову дивину, а цілеспрямовано її конструюємо й використовуємо.

Фізики з Оксфорда створили ще дивнішу «кота Шредінгера» з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com