Физици от Германия създадоха рекордно голямо хибридно оптично състояние на „котката на Шрьодингер“, в което светлината съществува едновременно в две различими състояния и остава квантово свързана с отделен фотон. В експеримента параметърът на размера на тази котка α² достигна 2,4 в сравнение с предишния рекорд от 1,4.
Разбира се, в устройството няма истинска котка. Ролята на животното от прочутия мисловен експеримент се изпълнява от импулса на светлината. В класическата физика системата трябва да избере едно състояние, но квантовата механика позволява да се запазят едновременно няколко варианта до момента на измерването. В този случай изследователите са накарали светлината да се намира в суперпозиция на две кохерентни състояния, които могат да се представят като две различни позиции на една и съща светлинна вълна във фазовото пространство.
Колкото повече тези състояния се отдалечават едно от друго, толкова по-голям става квантовият котак и толкова по-лесно е за околната среда да го разруши. Най-малките загуби на светлина, шум или взаимодействие с външния свят постепенно заличават квантовата връзка между двете състояния. Ето защо увеличаването на параметъра α² от 1,4 до 2,4 е важно не само само по себе си: физиците са успели да раздалечат съставните части на суперпозицията значително повече и все пак да запазят техните квантови свойства.
Основният инструмент са атомите в състояние на Ридберг. Един електрон в такъв атом получава много енергия и се отдалечава значително от ядрото. Поради огромния електронен облак възбудените атоми започват да усещат съседите си особено силно. Благодарение на това един фотон е в състояние значително да промени условията, в които преминава друг, въпреки че при обичайни условия светлинните частици почти не взаимодействат помежду си.
Изследователите са използвали този ефект като своеобразен квантов превключвател. Първо управляващият фотон се поставя в суперпозиция на два пътя. В единия вариант фотонът се превръща вътре в оптичния резонатор в колективно ридбергово възбуждане на атомите, а в другия заобикаля резонатора. След това през устройството преминава основният светлинен импулс. Ако Ридберговото възбуждане e налице, резонаторът променя фазата на светлината с „π“, т.е. фактически обръща вълната спрямо втория вариант.
След завръщането на управляващия фотон се получават две различими състояния на светлинния импулс, свързани с двата варианта на неговата поляризация. Именно тази връзка създава „хибридната котката“: едната част от квантовата система се съхранява в непрекъснато състояние на светлинното поле, а другата – в дискретно състояние на отделен фотон.
В основата на устройството лежи електромагнитно-индуцираната прозрачност на Ридберг. Наименованието звучи по-сложно от самия принцип. Лазерът кара атомната среда да пропуска светлина там, където без допълнително въздействие тя би я погълнала. Ако в средата възникне ридбергово възбуждане, силното взаимодействие между атомите променя условията за преминаване на светлината. Този механизъм позволява да се управляват отделни фотони много по-ефективно, отколкото обикновените оптични материали, и едновременно с това да се бори с декохеренцията, тоест с постепенното разрушаване на суперпозицията.
Физиците са създали шест състояния с различен размер и са ги проверили с помощта на квантова томография. По същество изследователите многократно са измервали светлината от различни страни и след това са възстановили нейното квантово състояние, подобно на това как компютърната томография събира обемно изображение на обекта от множество снимки.
Шестте оптични състояния на „котката на Шрьодингер“, които стават все по-големи отляво надясно.
При всички получени нечетни състояния на котката функцията на Вигнер съдържаше отрицателни области. Функцията на Вигнер служи като своеобразна карта на квантовото състояние на светлината. Обикновената класическа светлина може да се опише без отрицателни участъци, затова появата на такива области сочи към поведение, което не може да се сведе до обичайната класическа оптика. Дори най-голямата котка запази квантовата заплетеност. При α² = 2,4 точността на съответствието със състоянието на Бел възлизаше на 51,2 ± 0,4%. За използвания критерий границата минава на ниво 50%, поради което резултатът леко, но статистически значимо надхвърли прага.
Предишният рекорд беше поставен през 2019 година. Тогава α² достигна 1,4. Схемите с обикновени нелинейни оптични материали по-рано достигаха стойности до около 0,8, поради което състоянието на Ридберг значително увеличи разстоянието между двете части на суперпозицията.
Физиците все още са далеч от наистина огромните квантови котки. Основният проблем остават загубите на фотони: при формирането на състоянието ефективните загуби достигаха 20,2 ± 1,1%, а системата за регистриране допълнително губеше около 21% от светлината. Пречка бяха също така ограниченото време на взаимодействие, непълната ридбергова блокада, взаимодействието на фотоните вътре в самия импулс и фазовият шум на лазерите. Авторите предлагат да се увеличи продължителността на светлинните импулси, да се намали радиусът на атомния ансамбъл и да се стабилизират лазерите по-прецизно. По-ранни изчисления на същата група показаха, че схемата на Ридберг потенциално е способна да работи и с много по-големи оптични състояния, но настоящият експеримент все още не е достигнал такива мащаби.
Хибридните състояния представляват интерес за квантовите технологии, тъй като съчетават два различни начина за съхранение на информация. Единият използва отделни квантови състояния, например поляризацията на фотона, а другият кодира данните в непрекъснатите свойства на светлинното поле. Подобни системи се разглеждат с оглед на оптичните квантови изчисления и предаването на квантова информация. Новото изследване все още не демонстрира готов изчислителен уред или канал за връзка, но показва, че големи светлинни суперпозиции могат да се създават и поддържат по-добре, отколкото преди.