Исследователи расширили инструментарий квантовой механики, создав новый класс «состояний кота Шредингера». Вместо привычных гладких волновых пакетов они использовали сложные геометрические формы квантовой неопределенности — сжатые, «трижды сжатые» и «четырежды сжатые» состояния одиночного иона. Это открывает новые пути для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров и сверхточных сенсоров.
Эрвин Шредингер придумал своего полумертвого кота, чтобы показать абсурдность квантовой механики при ее переносе на объекты макромира. Спустя почти сто лет метафора переросла рамки мысленного эксперимента и стала строгим техническим термином.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Для физиков-экспериментаторов «состояние кота» (cat state) — это ситуация, при которой квантовая система находится в суперпозиции двух максимально различимых, почти классических состояний. Чаще всего лабораторных «котов» собирают из когерентных состояний света или движения частиц. Это удобные волновые пакеты, которые ведут себя настолько похоже на обычные физические объекты, насколько это вообще позволяет квантовая теория.
Но команда физиков из Оксфордского университета под руководством Себастьяна Санера (Sebastian Saner) и Оаны Базаван (Oana Băzăvan) решила, что стандартные волновые пакеты — это слишком скучно. В своей статье, опубликованной в журнале Physical Review X в июне 2026 года, они продемонстрировали метод сборки квантовых суперпозиций из компонентов, которые сами по себе являются глубоко неклассическими и экзотическими.
Геометрия квантовой неопределенности
Чтобы понять суть прорыва, нужно вспомнить принцип неопределенности Гейзенберга: мы не можем одновременно знать точное положение и импульс частицы.
Если нарисовать эту неопределенность на графике (в так называемом фазовом пространстве), то обычное когерентное состояние будет выглядеть как идеальный, симметричный круг. Однако физики умеют деформировать этот круг.
Если сдавить его с боков, получится овал — это «сжатое состояние» (squeezed state). При этом мы жертвуем точностью измерения одного параметра ради феноменальной точности другого.
Оксфордская команда шагнула дальше базового сжатия. Они научились создавать структуры с трехлучевой и четырехлучевой симметрией — «трисквизинг» (trisqueezed) и «квадсквизинг» (quadsqueezed) состояния. Визуально на графиках плотности вероятности они напоминают трехконечные звезды или сложные геометрические узоры.
Главное достижение исследования заключается в том, что физики смогли взять эти причудливые неклассические формы и поместить их в макроскопическую суперпозицию — заставили атом быть одновременно в двух разных «звездных» состояниях, разведенных в пространстве.
Как проводился эксперимент
В роли «кота» выступал единственный ион стронция-88.
Рабочий процесс выглядел так:
- Ион ловили в электромагнитную ловушку и охлаждали почти до абсолютного нуля, чтобы подавить любые тепловые колебания.
- Ученые манипулировали его внутренним спином (который работал как кубит) и связывали этот спин с физическим движением самого иона в ловушке (квантовым гармоническим осциллятором).
- Применяя лазерные импульсы, они использовали технику «промежуточных измерений» (mid-circuit measurements). Это филигранный процесс: физики измеряли состояние внутреннего спина так осторожно, чтобы не разрушить хрупкую когерентность физического движения атома.
Результат проверяли с помощью квантовой томографии. Уникальность полученных состояний подтвердилась, когда команда реконструировала функцию Вигнера — своеобразную карту квантового состояния.
На графике проступила красивая шестиугольная симметрия с глубокими зонами «вигнеровской отрицательности». В привычной нам физике вероятность нахождения объекта где-либо не может быть меньше нуля. Появление отрицательных значений на графике Вигнера — это железное, математически неопровержимое доказательство того, что перед исследователями настоящая квантовая интерференция, которую невозможно описать классическими уравнениями.
Зачем нужны коты из треугольников?
Может показаться, что физики просто развлекаются, усложняя жизнь себе и атому стронция. Однако у этой работы есть абсолютно утилитарная цель.
Традиционные квантовые компьютеры оперируют кубитами — нулями и единицами. Но квантовые системы гораздо богаче. Квантовый гармонический осциллятор имеет бесконечное множество энергетических уровней. Идея кодировать информацию не в бинарных кубитах, а в этих непрерывных уровнях, лежит в основе квантовых вычислений с непрерывными переменными (continuous-variable quantum computing).
Главная беда любых квантовых машин — ошибки из-за шума окружающей среды. Сложные, искусственно скроенные состояния (вроде тех самых трижды сжатых котов) являются идеальным фундаментом для бозонной коррекции ошибок. Экзотическая симметрия этих состояний позволяет кодировать информацию так, что система сама «чувствует», когда в нее закралась ошибка, и может ее исправить до того, как данные разрушатся.
По словам ведущего автора работы Себастьяна Санера, новый метод фактически дает инженерам универсальный инструмент, позволяющий «лепить квантовые суперпозиции практически любой формы», программируя их под конкретную задачу.
Ограничения исследования
Важно понимать масштабы происходящего. Термин «макроскопическая суперпозиция» в квантовой оптике весьма условен. В данном эксперименте речь идет о суперпозиции состояний движения одного-единственного атома. Это колоссальный шаг для понимания фундаментальной физики и создания вычислительных архитектур, но он не означает, что завтра ученые смогут раздвоить вирус, бактерию или тем более мышь. Исследование строго ограничено физикой ультрахолодных ионов в вакууме.
FAQ: Часто задаваемые вопросы
- Что такое состояние кота Шредингера на практике?
В лаборатории это не животное, а квантовая система (свет, движение атома), которая одновременно находится в двух контрастных, хорошо различимых состояниях. - Что значит «сжатое» (squeezed) состояние?
Это состояние частицы, в котором неопределенность одного параметра (например, импульса) искусственно уменьшена за счет сильного увеличения неопределенности другого параметра (координаты). - Чем новые «коты» лучше старых?
Раньше суперпозиции собирали из простых, почти классических компонентов. Оксфордские физики научились собирать их из сложных многолучевых неклассических состояний. Это дает больше степеней свободы для кодирования данных. - Где это пригодится?
В архитектуре квантовых компьютеров следующего поколения (особенно для исправления ошибок) и при создании сверхчувствительных датчиков времени и гравитации.
Источники:
- S. Saner, O. Băzăvan, D. J. Webb, G. Araneda, D. M. Lucas, C. J. Ballance, R. Srinivas. Generating Arbitrary Superpositions of Nonclassical Quantum Harmonic Oscillator States. Physical Review X, Vol. 16, 2026. DOI: 10.1103/PhysRevX.16.021049.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Забытая квантовая теория 100-летней давности может отменить «кота Шрёдингера»
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.
1 комментарий к “Квантовые коты Шредингера нестандартной сборки”