1055
Уявіть собі кота Шредінгера, але з сюжетом складнішим за «живий і мертвий одночасно». Фізики з Оксфорда зуміли створити квантові «коти», зібрані не з майже класичних станів, а з будівельних блоків, які вже самі по собі поводяться максимально «дивно». Про це розповідає матеріал SciTechDaily.
Що відомо коротко
- Дослідники з Оксфордського університету створили новий клас квантових суперпозицій, зокрема «котоподібні» стани Шредінгера, з сильно некласичних компонентів.
- Замість звичних когерентних станів вони використали ширший набір, наприклад стислі (squeezed) стани, де квантова невизначеність розподіляється нерівномірно.
- Експеримент проводили з одним іоном у пастці, поєднуючи його внутрішній стан (як кубіт) з рухом, що поводиться як квантовий гармонічний осцилятор.
- Керовані вимірювання дозволили «вирізати» майже будь-яку форму суперпозиції та побачити некласичні інтерференційні візерунки й області негативності функції Вігнера.
- Такі стани можуть лягти в основу нових архітектур квантових комп’ютерів та ульточутливих сенсорів, де головну роль грають не тільки кубіти, а й осцилятори.
Як пояснити «кота» з некласичних цеглинок
У класичному світі об’єкт одночасно або тут, або там, або живий, або мертвий. У квантовому світі система може бути в суперпозиції — як діжка, всередині якої кіт одразу і живий, і мертвий, поки ми не заглянемо.
Зазвичай «кота Шредінгера» в лабораторії будують з так званих когерентних станів — це найкласичніша поведінка, яку дозволяє квантова механіка: хвильові пакети, що мчать майже як старі добрі частинки. Два таких пакети, зміщених у протилежні боки, дають «кота»: осцилятор водночас у двох місцях.
Команда з Оксфорда пішла проти інтуїції: замість «майже класичних» цеглинок вони взяли будівельні блоки, які вже самі максимально квантові, наприклад стислі стани. У них квантова невизначеність ніби перерозподіляється: у одному вимірі її менше, в іншому більше, наче ви стискаєте повітряну кульку з боків, і вона видовжується догори.
Що саме зробили з іоном у пастці
У центрі експерименту був один іон, утримуваний електромагнітною пасткою. Його внутрішні енергетичні рівні грають роль кубіта, а сам рух іона поводиться як квантовий гармонічний осцилятор з багатьма можливими рівнями енергії.
Фізики спочатку заплутали внутрішній стан іона з кількома можливими станами його руху. Це як зв’язати «орел чи решка» монетки з тим, чи м’ячик стрибає високо, середньо або майже не рухається. Тільки тут «монетка» та «м’ячик» — це один і той самий іон, але різні його квантові ступені вільності.
Після цього вони виконали так зване проміжне вимірювання — «mid-circuit» — внутрішнього стану. У квантовому світі вимірювання не просто дивиться на систему, воно її змінює. У цьому випадку воно змусило рух іона «колапсувати» у вибрану суперпозицію тих самих некласичних компонентів.
За словами провідного автора, доктора Себастіана Зенера (Sebastian Saner), такий підхід став інструментом, який дозволив буквально «ліпити» форму суперпозиції. Змінюючи параметри експерименту, дослідники могли керувати розміром, орієнтацією та відстанню між складовими суперпозиції, створюючи цілу галерею незвичайних квантових «фігур» у русі одного й того ж іона.
Як переконалися, що це справді квантові «коти»
Щоб довести, що вони мають справу не з хитрою класичною сумішшю станів, а з повноцінною квантовою суперпозицією, команда відновила створені стани — по суті, реконструювала їхню «квантову карту».
Одним з ключових інструментів стала функція Вігнера — математичний спосіб зобразити квантовий стан у фазовому просторі. На такій карті по-справжньому квантова поведінка проявляється як інтерференційні візерунки та області, де функція Вігнера стає негативною. Класична фізика не дозволяє таких «провалів нижче нуля».
У створених станах дослідники побачили як складні інтерференційні структури, так і регіони негативності. Це стало прямою ознакою того, що вони мають справу з істинною квантовою суперпозицією, складеною з уже некласичних рухових станів.
Керівник роботи доктор Рагагендра Шрінівас (Raghavendra Srinivas) зазначає, що команда лише починає систематично вимірювати всі квантові властивості цих станів і оцінює, наскільки несподівано позитивною була реакція колег на перші результати.
Навіщо потрібні такі екзотичні стани
У більшості сучасних квантових технологій усе крутиться навколо кубітів — систем, що можуть бути 0 і 1 одночасно. Але квантові гармонічні осцилятори, які мають багато енергетичних рівнів, відкривають значно ширший простір можливостей.
Новий підхід оксфордських фізиків прокладає шлях до архітектур, де ключову роль відіграють саме осцилятори. Мова йде, зокрема, про квантові комп’ютери, у яких такі складні суперпозиції можуть бути стійкішими до помилок і дозволяти простіші й надійніші схеми квантової корекції.
Крім обчислень, подібні стани можуть стати лабораторією для дослідження межі між класичним і квантовим світом. Наскільки великим і складним може стати «кіт Шредінгера», перш ніж він «перетвориться» на звичайну кішку? Такі експерименти дають інструменти, щоб ставити подібні питання вже не в думках, а в реальних установках.
FAQ
Це вже готова технологія для квантових комп’ютерів чи лише фундаментальний експеримент?
Наразі йдеться насамперед про фундаментальне дослідження можливостей керування квантовими осциляторами. Але саме такі методи можуть згодом стати «будівельними інструкціями» для нових типів квантових процесорів і сенсорів.
Чим ці стани відрізняються від звичайних «котів Шредінгера»?
У класичних реалізаціях «кота» використовують когерентні стани, максимально схожі на класичний рух. Тут «кіт» зібраний із вже сильно некласичних будівельних блоків, як-от стислі стани, що робить суперпозицію ще більш «квантовою» за своєю природою.
Навіщо взагалі потрібні такі складні форми суперпозицій?
Різні «форми» квантових станів можуть по-різному реагувати на шум, зовнішні поля та помилки. Керуючи формою, можна шукати стани, які одночасно зручні для обчислень і стійкі до завад, що критично важливо для масштабування квантових технологій.
Чи можна таку техніку застосувати не тільки до іонів у пастці?
зосереджена саме на платформі затриманих іонів, де внутрішні стани та рух зручно поєднані. Однак принцип — створювати суперпозиції з некласичних компонентів і керувати ними вимірюваннями — потенційно можна адаптувати і до інших систем із квантовими осциляторами, якщо вдасться досягти подібного рівня контролю.
Ідея «кота Шредінгера» завжди здавалася межею квантової дивини, але тепер виявляється, що навіть цей «кіт» може бути лише першим щаблем у ще складнішому зоопарку некласичних станів. Замість того щоб віддалятися від повсякденного досвіду, такі експерименти показують, наскільки багатошаровою може бути реальність, якщо дивитися на неї крізь квантову лупу — і наскільки гнучко людина навчилася ці шари конструювати.
Фізики створили новий квантовий «кіт Шредінгера» з некласичних станів з’явилася спочатку на Цікавості.
