Ученым удалось физически разделить два квантовых состояния одного иона - «Наука и технологии»

Постоянным нашим читателям хорошо известен мысленный эксперимент с кошкой Шредингера, демонстрирующий один из основных принципов квантовой механики, в котором подразумевается, что кошка может быть жива и мертва одновременно. К счастью для живых кошек, никому из ученых даже не пришло в голову провести этот эксперимент на практике, однако физики весьма регулярно создают аналоги "кошки Шредингера" из атомов, ионов и других частиц, изучая особенности причудливого квантового мира.

Состояние "кошки Шредингера" называется состоянием квантовой суперпозиции, и это явление уже используется на практике для произведения высокочувствительных измерений, при создании квантовых коммуникационных и вычислительных систем. К сожалению, состояние суперпозиции является очень хрупкой вещью, которая моментально разрушается при малейшем воздействии на квантовую частицу извне. А нарушения квантового состояния частиц, используемых в качестве битов квантовых вычислительных систем, к примеру, приводит к возникновению ошибок.

Для того, чтобы избежать или уменьшить уровень возникновения ошибок при работе квантовых компьютеров или коммуникационного оборудования исследователи постоянно стремятся разработать более стабильные устройства, позволяющие сохранить состояние квантовой суперпозиции частицы в течение более длительного времени. Помимо этого, ученые пытаются изменить само состояние суперпозиции так, чтобы оно стало само более стабильным.

И не так давно исследователи из Объединенного квантового института (Joint Quantum Institute, JQI) разработали новый метод создания состояния суперпозиции единственного иона, пойманного в ловушку. Изначально обе составляющих состояния суперпозиции находятся и движутся в одном и том же месте, в месте расположения иона. Но серия тщательно рассчитанных сверхкоротких импульсов лазерного света вызывает воздействие на оба квантовых состояния обособленных сил, что приводи к проявлению еще одного из "чудес" квантовой механики. Состояние квантовой суперпозиции одной частицы разделяется на два независимых квантовых состояния, которые под воздействием сил начинают колебаться в противофазе и отдаляться друг от друга. При этом, оригинальная квантовая суперпозиция частицы сохраняется неизменной.

Используя такой метод, ученым из JQI удалось раздвинуть два квантовых состояния иона иттербия на расстояние в 300 нанометров, что примерно в 12 раз больше, чем этого удавалось достичь ранее. В результате ученые получили один единственный ион, квантовое состояние которого распределено по некоторому расстоянию, которое приблизительно в тысячу раз больше размеров самого иона. Такое распределенное состояние суперпозиции является весьма чувствительным и при его помощи можно будет реализовать новые технологии атомной интерферометрии, новые методы квантового шифрования и многое другое.