Немецкие ученые применили свет и атомные процессы, чтобы создать состояние, известное как «кот Шредингера», и успешно воспроизвели его суперпозицию несколько раз.
Всемирно известный мысленный эксперимент получил новое прочтение. В 1935 году Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент, призванный продемонстрировать парадоксальность квантовой физики. Недавно группа ученых во главе с Герхардом Ремпе, руководителем кафедры квантовой динамики Института квантовой оптики общества Макса Планка, осуществила оптическую интерпретацию мысленного эксперимента Шредингера в лабораторных условиях. В данном случае импульсы лазерного света выполняли роль кота. Результаты, полученные в ходе проекта, открывают возможности для более точного управления оптическими состояниями, что в перспективе может найти применение в квантовых коммуникациях. Исследование описано в статье журнала Nature Photonics.
«Идея Шредингера заключается в том, что микроскопические частицы, такие как отдельные атомы, могут одновременно находиться в двух различных состояниях. Это явление известно как суперпозиция. При этом, при взаимодействии такой частицы с макроскопическим объектом, они могут оказаться в состоянии «запутанности», что приводит к тому, что макроскопический объект также начинает существовать в 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 проведения данного мысленного эксперимента физики лаборатории использовали различные модельные системы. В качестве основы была взята схема, предложенная теоретиками Вангом и Дуаном в 2005 году. Согласно этой схеме, «роль» кота выполняет суперпозиция двух состояний оптического импульса. Необходимые экспериментальные методики были разработаны командой Ремпе.
Изначально исследователи, работавшие над проектом, сомневались в возможности создания и надежной регистрации механически запутанных квантовых состояний с использованием существующих технологий. Ключевой проблемой являлась необходимость снижения оптических потерь в процессе эксперимента. Как только это было достигнуто, для подтверждения предсказания Шредингера были проведены все требуемые измерения. В ходе эксперимента ученые смогли исследовать возможности применения квантовой механики и создать инновационные методы для квантовой коммуникации.
Лаборатория Института общества Макса Планка в Гархинге располагает всем необходимым оборудованием для проведения самых сложных экспериментов в области квантовой оптики. Для изоляции отдельного атома и управления его состоянием применяются вакуумная камера и высокоточные лазеры. Оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, разделенных пятимиллиметровой щелью, в которой удерживается атом, находится в центре установки. Лазерный импульс направляется в резонатор, где он отражается и взаимодействует с атомом. В результате отраженный свет запутывается с атомом. Выполнив соответствующее измерение на атоме, оптический импульс может оказаться в состоянии суперпозиции, он существует в состоянии неопределенности, прямо как кот Шредингера. Важной особенностью эксперимента является то, что запутанные состояния создаются предсказуемо. Иными словами, «состояние кота» устанавливается при каждом повторении эксперимента.
«Нам удалось создать состояния летящего оптического кота и показать, что их поведение соответствует прогнозам квантовой механики. Полученные результаты подтверждают эффективность разработанного нами метода создания таких состояний и позволили определить ряд ключевых параметров», — заключает кандидат наук Стефан Вельте.