Физики из МФТИ совместно с коллегами из ВНИИА имени Н.Л. Духова разработали уникальный способ создания макроскопических квантовых состояний света, называемых «котами Шредингера». Информацию опубликовал портал naked-science.ru.
Их работа основывается на механизме рассеяния лазерного излучения на свободных электронах, что открывает возможности для формирования таких состояний там, где другие методы оказываются неэффективными. Это открытие не только углубляет понимание фундаментальных процессов квантовой оптики, но и может сыграть ключевую роль в развитии новых квантовых технологий.
Состояние «кота Шредингера» — это знаменитый парадокс из мира квантовой физики: система одновременно находится в двух противоположных состояниях.
Если в классическом мысленном эксперименте речь шла о коте, который и жив, и мёртв, то в квантовой оптике аналогичное состояние реализуется светом, который может существовать сразу в двух формах — с разной фазой или амплитудой, словно камертон, вибрирующий сразу в двух противоположных направлениях. Такие суперпозиции принципиально важны для сверхточных измерений, квантовых вычислений и коммуникаций.
До сих пор главной технологией создания «световых котов» была генерация высоких гармоник. В этом случае мощный лазер воздействует на атомы, побуждая их испускать фотоны с высокой энергией, а на лазерном поле остаётся «квантовый след», формируя нужное состояние. Однако при сильной ионизации, когда появляется много свободных электронов, эффективность метода резко падает: как только большинство атомов утрачивает нейтральность, процесс становится невозможен.
Российские учёные предложили рассмотреть не помехи от свободных электронов, а наоборот — сделать их основой создания квантовых суперпозиций.
Они построили теоретическую модель, в которой рассеяние лазерных фотонов на этих электронах приводит к едва заметному изменению фазы исходного светового поля. При этом исходное и прошедшее «коллективный толчок» поле существуют одновременно — этот эффект становится квантовой суперпозицией. Если специальным способом измерить хоть один рассеянный фотон, всё лазерное поле «падает» в новое когерентное состояние «кота Шредингера».
Для подтверждения появляющейся квантовой суперпозиции исследователи анализировали функцию Вигнера — математический инструмент, позволяющий отличать классические состояния света от квантовых. На диаграммах видно: если функция Вигнера местами уходит в отрицательные значения, значит, описание системы невозможно в рамках классической физики — это явный признак квантовой суперпозиции.
Разработанная российскими физиками методика показывает, что даже в очень ионизированных средах можно получать сложные нестандартные квантовые состояния света. Это открывает новые перспективы для квантовой оптики, вычислений и будущих исследовательских разработок.
Новая математическая модель поможет точнее измерять параметры внешней среды. Используя декартову систему координат, учёные рассчитали поле деформаций мембраны и его влияние на сигнал, регистрируемый сенсором.