Физики научились превращать котенка Шредингера в кота и наоборот

M. Lewenstein et al / Nature Physics, 2021

Группа физиков применила квантовый подход к процессу генерации старших гармоник в поле интенсивного лазерного излучения. Они показали, что состояние поля, создаваемое в таком процессе, оказывается существенно неклассическим и может быть описано как состояние кота Шрёдингера. Вместе с расчетами ученые провели и эксперимент, который подтвердил теорию. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Квантовая механика достаточно точно описывает изолированные атомные системы, интересуясь, фактически, только движением электронов в электростатических полях ядер и друг друга. В тот момент, когда потребовалось описывать взаимодействие атомов с излучением, теория поначалу рассматривала свет классически, то есть исключительно с помощью функции напряженности электрического поля, которая описывается решением классических уравнений Максвелла.

Со временем физики научились рассматривать квантованное электромагнитное поле в рамках квантовой оптики. В ней поле описывается с помощью фоковских состояний, то есть состояний с определенным числом частиц того или иного сорта. Впоследствии оказалось, что привычный нам свет (классический) имеет характерное статистическое распределение по числу фотонов, в то время как квантовая оптика позволяет изучать целый пласт неклассических состояний, которые находят массу практических приложений.

Несмотря на такие успехи, в квантовой оптике практически не рассматривается взаимодействие атомов с сильным полем. Это отдельный раздел оптики, изучающий интересные эффекты, которые возникают, если воздействовать на атомные или молекулярные ансамбли излучением большой интенсивности. Одним из самых любопытных эффектов стала генерация старших гармоник, суть которой в том, что в излучении, проходящем через вещество, появляются компоненты с частотами, кратными частоте падающего излучения.

В своей новой работе группа физиков из Испании и Греции при участии Мачея Левенштейна (Maciej Lewenstein) из Барселонского института науки и технологий провела теоретическое и экспериментальное исследование неклассических состояний света при генерации старших гармоник. Они показали, что в таком процессе можно создавать экзотические состояния котов Шрёдингера, которые не могут быть описаны в рамках классического подхода.

В квантовой механике состоянием кота Шрёдингера принято называть суперпозицию двух когерентных состояний некоторой системы в контексте большого числа ее степеней свободы. В квантовой оптике этот термин употребляется для описания неклассических состояний света, которые строятся в виде суммы когерентных (классических) состояний.

Для того, чтобы описать процесс генерации таких состояний, авторы рассмотрели взаимодействие лазерной моды в когерентном состоянии с ансамблем атомов. Решая динамическое уравнение Шрёдингера и для света, и для атома, а также предполагая, что вклад всех атомов в генерацию старших гармоник согласован по фазе, они установили, что на выходе состояние основной моды будет испытывать сдвиг по амплитуде. Иными словами, конечное состояние основной моды описывается как неклассическая суперпозиция начального и смещенного состояний. Важной особенностью работы физиков стало описание того, как характеристиками этого смещения можно управлять непрерывно. Если смещение небольшое, и оба состояния оказываются очень похожи, физики говорят о котенке Шрёдингера, в то время как существенно разные члены суперпозиции свидетельствуют о настоящем коте.

Чтобы проверить свои вычисления с помощью эксперимента, авторы помещали кювету с атомами ксенона на пути света в одном из плеч интерферометра, на вход которого подавались инфракрасные лазерные импульсы длительностью 35 фемтосекунд. После фокусировки на атомах интенсивность излучения достигала 8×1013 ватт на квадратный сантиметр, что приводило к эффективной генерации старших гармоник. Затем физики производили пост-селекцию выходного состояния, отбирая те из них, которые содержат хотя бы один фотон кратной частоты. Наконец, на выходе из интерферометра происходила интерференция этого поля с полем, которое прошло по другому плечу, где ему сообщали контролируемый набег фазы. Сигнал с балансного детектора использовался для восстановления функции Вигнера, по которой можно судить о статистический свойствах состояния. Ее форма, полученная из эксперимента, свидетельствовала о неклассических состояниях на выходе из интерферометра, подтверждая теорию.

В заключении авторы подчеркивают, что развитая ими техника может быть использована для генерации кошачьих состояний с большим числом компонент. Они также отмечают, что усовершенствование схемы с помощью измерений с аттосекундным разрешением позволит проследить временные корреляции между основной и старшими гармониками.

Состояния котов Шредингера очень сильно интересуют физиков. Мы уже рассказывали, как они смогли увеличить количество фотонов, формирующих кота Шредингера, и даже запутать двух из них между собой.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.