Физики из Оксфордского университета создали новый тип квантовой суперпозиции — состояния, в котором объект одновременно находится в нескольких квантовых состояниях. Разработка может помочь в создании более устойчивых квантовых компьютеров и приблизить ученых к пониманию границы между квантовым и привычным макроскопическим миром. Работа опубликована в журнале Physical Review X (PRX).
Квантовая суперпозиция — один из самых известных и загадочных эффектов квантовой механики. Именно на ней основан знаменитый мысленный эксперимент с котом Шредингера, который до момента наблюдения считается одновременно живым и мертвым.
В современных лабораториях подобные состояния уже давно создают для атомов, фотонов и других квантовых объектов. Они лежат в основе работы квантовых компьютеров, где квантовый бит — кубит — может одновременно представлять значения 0 и 1.
Однако исследователи из Оксфорда решили выйти за рамки традиционных кубитов. Вместо простых двухуровневых систем они использовали квантовый гармонический осциллятор — систему, которая способна занимать множество энергетических состояний одновременно.
Эксперимент был проведен с одиночным ионом, удерживаемым в специальной ловушке. Внутреннее состояние частицы играло роль кубита, а ее движение использовалось как квантовый осциллятор. Благодаря этому ученые смогли создавать гораздо более сложные квантовые состояния.
«Этот подход дал нам инструмент, позволяющий буквально «лепить» квантовые суперпозиции практически любой формы», — отметил ведущий автор работы Себастьян Санер.
Ученые получили возможность гибко изменять размер, ориентацию и взаимное расположение отдельных компонентов суперпозиции. Анализ показал наличие характерных интерференционных узоров и областей так называемой отрицательности функции Вигнера — одного из главных признаков того, что состояние невозможно описать классической физикой.
По словам авторов работы, такие состояния могут оказаться полезными для создания новых архитектур квантовых компьютеров. Они потенциально обладают большей устойчивостью к ошибкам и позволяют использовать более эффективные методы коррекции сбоев.
Кроме того, разработка предоставляет физикам новую экспериментальную платформу для изучения фундаментального вопроса: где проходит граница между привычным классическим миром и квантовой реальностью, в которой объекты способны существовать сразу в нескольких состояниях одновременно.
Ранее физики впервые разгадали природу самого энергетически мощного объекта во Вселенной.