Ученые из Германии использовали свет и атом для получения состояния «кота Шредингера» — и многократно добились состояния суперпозиции.

Один из самых известных в мире мысленных экспериментов предстал в новом свете. Так, в 1935 году Эрвин Шредингер сформулировал мысленный эксперимент, иллюстрирующий парадоксальную природу квантовой физики. Сегодня группа исследователей под руководством Герхарда Ремпе, директора кафедры квантовой динамики Института квантовой оптики общества Макса Планка, смогла реализовать оптическую версию мысленного эксперимента Шредингера в лабораторных условиях. Так, в роли кота выступили импульсы лазерного света.

Выводы, полученные в результате проекта, открывают новые перспективы для расширенного контроля оптических состояний, который в будущем может быть использован в квантовых коммуникациях. Исследование описано в статье журнала Nature Photonics.

«Согласно идее Шредингера, такая микроскопическая частица, как отдельный атом, способна существовать в двух разных состояниях одновременно. Это называется суперпозицией. Более того, когда такая частица взаимодействует с макроскопическим объектом, они могут «запутаться», и макроскопический объект может прийти в состояние суперпозиции. Шредингер предложил в пример кота, способного быть одновременно живым и мертвым, в зависимости от того, распался радиоактивный атом или нет — эта идея находится в прямом противоречии с ежедневным опытом», — объясняет профессор Ремпе.

Для реализации этого мысленного эксперимента в лаборатории физики обратились к различным модельным системам. В этом случае была осуществлена схема, предложенная теоретиками Вангом и Дуаном в 2005 году. В ней «роль» кота играет суперпозиция двух состояний оптического импульса. Экспериментальные техники, необходимые для проведения такого эксперимента, были разработаны группой Ремпе.

Схема экспериментальной установки / © Max Planck Society

Исследователи, вовлеченные в проект, изначально скептически отнеслись к возможности генерирования и надежной регистрации таких механически запутанных квантовых состояний при помощи доступных технологий. Основная сложность заключалась в необходимости минимизации оптических потерь в рамках эксперимента. Как только это было достигнуто, специалисты провели все необходимые измерения для подтверждения предсказания Шредингера. Эксперимент позволил ученым изучить сферу применений квантовой механики и разработать новые техники для квантовой коммуникации.

Лаборатория в Институте общества Макса Планка в Гархинге оснащена необходимым оборудованием для проведения сложнейших экспериментов в квантовой оптике. Вакуумная камера и высокоточные лазеры используются для изолирования отдельного атома и манипулирования его состоянием. В центре установки — оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, разделенных пятимиллиметровой щелью, в которой можно удерживать атом. В резонатор направляется лазерный импульс, где он отражается и затем взаимодействует с атомом. В итоге отраженный свет запутывается с атомом. Выполнив соответствующее измерение на атоме, оптический импульс может оказаться в состоянии суперпозиции, прямо как кот Шредингера. Особенное свойство эксперимента — то, что запутанные состояния можно генерировать детерминировано. Другими словами, «состояние кота» получается в ходе каждого повтора эксперимента.

«Мы успешно сгенерировали состояния летящего оптического кота и продемонстрировали, что они ведут себя в соответствии с предсказаниями квантовой механики. Эти данные подтверждают, что наш способ созданий состояний кота работает, также они позволили изучить важные параметры», — подытоживает кандидат наук Стефан Вельте.