Российские физики научились делать кошек Шредингера «упитаннее»

Физики из Российского квантового центра, МФТИ, Физического института РАН имени Лебедева и Университета Калгари разработали методику увеличения амплитуды состояний кота Шредингера. Это позволяет, например, увеличить количество фотонов, формирующих кота Шредингера. У метода нет формального ограничения «коэффициента усиления» — в теории он может позволить создать макроскопические квантовые состояния и «указать на границу между квантовым и классическим миром». Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает пресс-релиз, поступивший в редакцию N+1.

Кот (или, если быть точнее, кошка) Шредингера — известный мысленный эксперимент, предложенный Эрвином Шредингером. В нем животное оказывается в ящике с ядовитым газом, детектором радиоактивного распада и атомом радиоактивного изотопа с известным временем полураспада. Если детектор срабатывает, то газ выпускается из капсулы и кошка погибает. С точки зрения копенгагенской интерпретации квантовой механики можно описать состояние изотопа как суперпозицию двух состояний — распался и не распался, причем вероятность обнаружения двух этих состояний сравняется через время полураспада. Оба этих состояния существуют одновременно. Это значит, что в этот момент животное окажется одновременно живым и мертвым.

Эксперимент Шредингера показывал, насколько неестественными кажутся законы квантовой механики по отношению к макроскопическому миру. Однако создание, например, фотонов, находящихся в суперпозиции двух поляризаций уже является рутинной операцией в квантовой физике и оптике. Одним из неразрешенных вопросов остается то, насколько большой может быть система, находящаяся в квантовой суперпозиции.

Так, например, в случае фотонов, максимальное количество частиц, одновременно существовавших в суперпозиции, не превышало четырех. Авторы новой работы предложили способ, как можно неограниченно увеличивать это число, а с ним и амплитуду волновой функции состояния.

Как рассказывает соавтор работы, Анастасия Пушкина, идею эксперимента предложили еще в 2003 году австралийские физики. В его основе лежит интерференция двух фотонов — «котов Шредингера» — на светоделителе. Последний представляет собой полупрозрачную призму, отражающую часть фотонов и пропускающий другую. Он выступает в роли элемента, который запутывает между собой фотоны, попадающие на него. При этом возникают ситуации, когда два запутанных фотона одновременно отражаются — соответственно, ни одного фотона не проходит сквозь светоделитель. Оказывается, что при этом два запутанных фотона образуют состояние кота Шредингера с удвоенной энергией.

Эксперимент был устроен следующим образом. На первом этапе физики одновременно генерировали сжатые состояния света с помощью двух оптически нелинейных кристаллов — они играли роль изначальных котов Шредингера. Затем эти состояния направлялись на светоделитель. На одном из выходов из светоделителя происходило измерение — если оказывалось, что ни одного фотона не вышло в это плечо прибора, то на втором плече изучалось состояние нового, более «упитанного» кота Шредингера, состоявшего уже из двух фотонов.

Таким способом авторам удалось создать состояния, состоящие из 3,4 фотонов. Физики повторили эксперимент около 40 тысяч раз, и в каждой пятой попытке удавалось обнаружить увеличение амплитуды. Для того чтобы создать еще более «упитанных» котов Шредингера, потребуется многоступенчатая установка. Например, для увеличения числа фотонов с 2 до 16 потребуется три ступени удвоения. С учетом вероятности успешного соединения фотонов (один случай из пяти) потребуется около пяти тысяч исходных «котов» чтобы создать одного, обладающего в восемь раз большей энергией.

Создание оптических состояний — «упитанных» котов Шредингера преследует не только фундаментальные интересы. Подобные объекты необходимы в протоколах квантовой криптографии, квантовой телепортации и так далее. При этом, чем выше амплитуда состояния (и чем больше в него входит фотонов), тем надежнее работают методы. Существующие методы позволяют работать с состояниями с небольшой амплитудой, но отсутствие ошибок в них достигается большим количеством повторов.

Эффект «склеивания» двух фотонов в одно новое состояние отдаленно напоминает другой известный эксперимент в квантовой оптике. В эффекте Хонга-У-Мандела два неразличимых фотона попадая одновременно на светоделитель с разных сторон полупрозрачного зеркала (дающего 50-процентную вероятность отражения и пропускания) обязательно продолжат двигаться по одной траектории (либо один фотон отразится, а второй пройдет зеркало насквозь, либо наоборот. Это одно из известных подтверждений квантовой природы света. На этом эффекте была недавно построена схема создания многофотонных запутанных состояний.

Владимир Королёв