Физики из США и Франции реализовали на практике состояние «запутанных» «котов Шредингера», объединив между собой два обычных. Ученые считают, что их устройство может стать основой для построения нового типа квантовых компьютеров. Работа опубликована в журнале Science.

Мысленный эксперимент с котом, придуманный Эрвином Шредингером, уже давно стал объектом многочисленных экспериментов по исследованию квантовой суперпозиции. Был введен даже специальный термин — «состояния кота Шредингера». Ими, в частности, называют суперпозицию когерентных состояний одномодового квантового гармонического осциллятора. Такая система на практике представляет собой, например, фотон, «запертый» в оптическом резонаторе.Эксперименты проводились как для фотонов оптического диапазона энергий, так и микроволнового, причем их число могло достигать ста.

Внешний вид устройства: желтым указан резонатор-считыватель и искусственный атом, фиолетовым – резонатор Алиса, оранжевым – резонатор Боб. Изображение: Chen Wang et al. / Science, 2016

Подобные квантовые системы могут найти применение в квантовой информатике и стать основой для построения квантовых компьютеров.Одним из препятствий для этого в настоящее время является масштабируемость —чтобы построить достаточно сложную вычислительную систему, нужно каким-то образом увеличить число ее элементов, сохраняя при этом связность между ними(или когерентность).

Существует два основных способа, как на основании «состояний кота Шредингера» реализовать сложные вычислительные системы. В первом из них ученые увеличивают число мод (волн с определенной длиной волны) в резонаторе, во втором — число фотонов одной энергии.

В новой работе авторы объединили оба подхода и создали систему из двух оптических резонаторов с разными модами (ученые назвали их Алиса и Боб), каждый из которых «отсеивает»фотоны с определенной длиной волны, и «запутали» фотоны из обоих резонаторов между собой. Авторы говорят, что такого нового «кота» можно представить как двух обычных, но «запутанных» между собой. Объединяет состояния в резонаторах искусственный атом — сверхпроводящее устройство с джозефсоновским контактом. Такой объект имеет уровневую энергетическую структуру, как в обычных атомах, за что ему и было дано такое название.

Схематическое изображение устройства в объеме (А) и в проекции (B), на котором указаны объемные резонаторы Алиса и Боб, искусственный атом и резонатор-считыватель. Изображение: Chen Wang et al. / Science, 2016

Ученые использовали три возможных перехода с уровня на уровень в искусственном атоме, чтобы связать между собой резонаторы Алиса, Боба считыватель, который также представляет собой оптический резонатор. Чтобы доказать «запутанность» фотонов в резонаторах, ученые измеряли четность количества фотонов в каждом из резонаторов. Согласно теории, если «запутанность» сохраняется, то суммарная четность числа фотонов в двух резонаторах должна сохраняться, в то время как в каждом по отдельности она может принимать любые значения. Авторам удалось доказать, что в их устройстве действительно реализуется такое поведение. По мнению ученых, архитектура устройства может найти применение в квантовой информатике и создании многокубитных систем.

«Кот Шредингера» — мысленный эксперимент, придуманный Эрвином Шредингером для того, чтобы показать неполноту квантовой механики по отношению к макрообъектам. Суть эксперимента заключается в следующем: в запечатанную капсулу помещают кота и счетчик Гейгера. В счетчике находится небольшое количество радиоактивного вещества и устройство, разбивающее ампулу с синильной кислотой, если счетчик сработает. Значит, если счетчик срабатывает, кот умирает. Но пока никто не заглянул в камеру (в терминах квантовой механики — произвел «измерение») остается неизвестным, распался ли за это время какой-нибудь атом, то есть жив ли кот или мертв.

С точки зрения квантовой механики он находился в суперпозиции этих двух состояний. Но макроскопическое существо не может быть одновременно живым и мертвым. И в то же время жизнь кота напрямую связана с распадом атома, который является квантовым объектом и до наблюдения должен находиться в суперпозиции обоих состояний. Эти рассуждения позволяет показать, насколько сложно поставить эксперимент, который бы разделил две точки зрения — находится ли объект до измерения в суперпозиции состояний или в каком-то конкретном.

Автор: Екатерина Митрофанова