Физики впервые собрали гибридного кота Шрёдингера из сжатых квантовых состояний

Оксфордские физики впервые собрали квантовый кот Шрёдингера не из обычных когерентных пакетов, а из куда более странных квантовых состояний сжатия. Это делали на одиночном ионе стронция-88 в ловушке Пауля. На выходе получили новый строительный блок для квантовых вычислений и сверхточных сенсоров.

Раньше «котов Шрёдингера» обычно собирали из когерентных состояний — штука уже привычная для лабораторий. Здесь же взяли «сжатые», «трисжатые» и «квадросжатые» состояния, где квантовая неопределённость распределена неровно, с перекосом в одну сторону. И вот это уже куда интереснее для вычислений с непрерывными переменными: там важен не только сам факт суперпозиции, но и то, как она устроена.

Новизна, впрочем, не только в наборе компонентов. Авторы показали, что могут задавать относительные веса, фазы и расстояние между составляющими. То есть собирать не один красивый пример, а целую линейку состояний под разные задачи. Уже больше похоже на рабочий инструмент, чем на эффектный лабораторный трюк.

Как собрали кота Шрёдингера

Эксперимент держится на связке внутреннего состояния иона и его механических колебаний. Внутренние электронные уровни играли роль кутрита, а движение иона в ловушке — квантового гармонического осциллятора, который может одновременно занимать много уровней. Связь между ними настраивали через спин-зависимые нелинейные взаимодействия разного порядка.

Для сжатия использовали взаимодействие второго порядка, для трисжатия — третьего, для квадросжатия — четвертого. Потом промежуточное измерение спина проектировало осциллятор в нужную суперпозицию, а дополнительное смещение разносило компоненты в фазовом пространстве. Так и получили аналоги кота Шрёдингера — только не из привычных волновых пакетов, а из сугубо неклассических состояний.

Проверка получилась вполне содержательной. Карта состояния показала выраженный интерференционный узор с участками отрицательной области — это уже прямой признак квантовой суперпозиции, а не обычной смеси состояний. Совпадение с численной моделью, где учитывались нагрев и начальная температура осциллятора, превысило 90%.

Сравнение с прежними подходами здесь особенно наглядное. Когерентные «коты» давно стали рабочей схемой в лабораториях, а squeezed-состояния и сами по себе уже применяются, например, в гравитационно-волновой детекции: LIGO использует их, чтобы уменьшать квантовый шум измерений. Но собрать из таких состояний управляемую суперпозицию сложнее. Этот шаг как раз и удалось пройти.

Авторы отдельно пишут, что метод не привязан к ионам. Похожая схема должна работать и на сверхпроводящих цепях, и на атомах в оптических резонаторах, и на наночастицах в ловушках. Для квантовых вычислений это важный сигнал: экзотические состояния уже не выглядят музейной редкостью, их можно рассматривать как заготовку для реальных протоколов.

И у таких состояний есть вполне прикладная перспектива. Их рассматривают для вычислений с непрерывными переменными, коррекции ошибок и квантовой метрологии, где полезно выжимать максимум из перенаправленного квантового шума. По сути, это просто расширение набора кирпичиков, из которых можно собирать более устойчивые и более чувствительные квантовые устройства.

Сейчас исследователи вместе с теоретиками уточняют, как именно оценивать «квантовость» созданных состояний в полной мере. Если такие схемы удастся масштабировать, дальше вопрос будет уже не в выборе между котом и сжатием, а в том, насколько сложную суперпозицию получится удержать без потери контроля.