Физики предложили новый способ создания квантового кота Шредингера
Физики из МФТИ и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н.Л. Духова (ВНИИА) предложили и теоретически обосновали новый способ создания макроскопических квантовых состояний света, известных как «коты Шредингера». Механизм, основанный на рассеянии лазерного излучения на свободных электронах, открывает путь к созданию таких состояний в условиях, где другие, более известные методы, не работают. Это достижение не только расширяет фундаментальное понимание взаимодействия света и материи, но и предоставляет новый инструмент для развития квантовых технологий.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда.
В мире квантовой физики состояние «кота Шредингера» представляет собой один из самых ярких парадоксов. Это квантовая суперпозиция — одновременное существование системы в двух макроскопически различных состояниях. Если в знаменитом мысленном эксперименте речь шла о коте, который одновременно и жив, и мертв, то в квантовой оптике «котом» называют световое поле, которое находится сразу в двух состояниях, например, с разной фазой или амплитудой, подобно камертону, вибрирующему одновременно в двух противоположных направлениях. Такие состояния важны для квантовых вычислений, сверхточных измерений и квантовой связи.
До недавнего времени основной «фабрикой» по производству световых «котов» считался процесс генерации высоких гармоник. При этом методе мощный лазерный импульс заставляет атом поглотить множество фотонов и затем переизлучить один фотон с очень высокой энергией. Процесс оставляет своего рода «квантовый шрам» на исходном лазерном поле, превращая его в состояние кота Шредингера. Однако у этого метода есть фундаментальное ограничение: он эффективно работает только тогда, когда атомы в среде остаются в основном нейтральными. Появление большого количества свободных электронов в результате ионизации газа резко снижает эффективность метода генерации высоких гармоник.
Коллектив российских физиков решил взглянуть на эту проблему под совершенно другим углом. Вместо того чтобы бороться со свободными электронами, они задались вопросом: а что, если именно эти, казалось бы, мешающие частицы могут стать ключом к созданию «котов Шредингера»? Ученые построили теоретическую модель, в которой главным действующим лицом стало не взаимодействие света с атомами, а его взаимодействие со «шлейфом» свободных электронов, которые неизбежно появляются при прохождении мощного лазера через газ.
Центральным физическим процессом в их модели стало рассеяние Томсона, при котором фотон упруго «отскакивает» от свободного электрона. Каждый акт рассеяния, пусть и крошечный по своему влиянию, вносит свой вклад в коллективный отклик. В результате исходное когерентное состояние лазерного поля, которое можно представить как гладкую, предсказуемую волну, испытывает едва заметный сдвиг в фазовом пространстве. Таким образом, после взаимодействия в системе одновременно сосуществуют два состояния: исходное, нетронутое поле и поле, испытавшее этот коллективный «толчок» от электронов. Если затем провести специальное измерение, отфильтровав хотя бы один рассеянный фотон, все гигантское лазерное поле коллапсирует в квантовую суперпозицию этих двух состояний — то есть, становится полноценным котом Шредингера.
Функция Вигнера для светового поля, которое находится в состоянии «кота Шредингера». На панелях (a) и (b) показано состояние при разных значениях параметров. Обведена область отрицательных значений функции Вигнера, наличие которой как раз и является критерием классичности состояния (это визуальное подтверждение квантовой суперпозиции и интерференции). На панели (a) состояние с более выраженной “неклассичностью”, а на панели (b) квантовость менее выражена, зато получено больше фотонов в этом состоянии / © Evgeny S. Andrianov and Oleg I. Tolstikhin, Physical Review A
Евгений Андрианов, старший научный сотрудник и доцент кафедры теоретической физики имени Л. Д. Ландау МФТИ, так прокомментировал результаты работы: «Мы привыкли думать, что свободные электроны в экспериментах по генерации «котов» — это помеха, от которой нужно избавляться, чтобы не мешать тонкому процессу генерации высоких гармоник. Мы же показали, что эти электроны — не враги, а союзники. Их коллективный «танец» с фотонами лазерного поля оставляет на свете уникальный квантовый отпечаток. Поймав всего один рассеянный фотон, мы, по сути, заставляем все огромное световое поле «признаться», что оно побывало в двух состояниях одновременно, то есть стало котом Шредингера».
Главное преимущество предложенного механизма заключается в его универсальности. В отличие от метода генерации высоких гармоник, который крайне чувствителен к поляризации света и практически не работает для циркулярно поляризованного лазерного излучения (в котором вектор электрического поля вращается подобно штопору), механизм Томсоновского рассеяния работает и в этом случае. Это открывает перед экспериментаторами уникальную возможность: используя циркулярно поляризованный лазер, они могут полностью «выключить» конкурирующий процесс генерации высоких гармоник и изучать новый механизм в чистом виде, без посторонних эффектов. Это значительно упрощает постановку эксперимента и анализ результатов.
Более того, авторы показали, что свойствами «кота» можно гибко управлять. Варьируя параметры эксперимента, можно достичь компромисса: либо получить состояние с ярко выраженными квантовыми свойствами (глубокими отрицательными областями на функции Вигнера), либо состояние с большим числом фотонов, но с менее выраженной «квантовостью».
Эта работа не только предлагает новый, более надежный и гибкий инструмент для создания неклассических состояний света, но и углубляет наше понимание сложных процессов, разворачивающихся на стыке квантовой оптики и физики сверхсильных полей. Она превращает то, что считалось помехой, в полезный ресурс и открывает новые перспективы в экспериментальном исследовании квантового мира.
Telegram 
Дзен 
VK Сотрудники Центра языка и мозга НИУ ВШЭ приняли участие в редкой для детской нейрохирургии операции с пробуждением у 11-летнего пациента с фармакорезистентной эпилепсией. Совместно с врачами НПЦ специализированной медицинской помощи детям имени В.Ф. Войно-Ясенецкого в Солнцево они сопровождали удаление участка левой височной доли, где был выявлен эпилептический очаг.
Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
Анализ ДНК и изотопный анализ зубов показали, что мужчина генетически был связан с саамскими популяциями, но часть жизни провел за пределами Финляндии — возможно, в Исландии. Авторы нового исследования пришли к выводу, что на рубеже XVI-XVII веков саамские сообщества не были изолированы, как предполагали многие исследователи. Люди путешествовали на далекие расстояния и поддерживали контакты с дальними регионами Северной Атлантики.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина предложили подход к отбору малодебетных нефтегазовых месторождений, которые составляют около 88% нераспределенного фонда нефтяных участков. Модель расчета поможет вовлечь в экономический оборот от 400 до 600 миллионов тонн ранее нерентабельных запасов.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно