Квантовый «кот Шрёдингера» прожил рекордные 23 минуты: как ученые добились стабильной суперпозиции

Квантовая механика предсказывает возможность существования квантовых суперпозиций — состояний, в которых физическая система одновременно находится в нескольких состояниях. Классический, хотя и мысленный, пример — кот Шрёдингера, одновременно живой и мёртвый. Создание и поддержание таких макроскопических суперпозиций долгое время оставались сложной задачей, однако последние достижения в области квантовой метрологии позволяют приблизиться к практическому применению этого явления. В данном исследовании, проведенном группой учёных из Китайского университета науки и техники, был достигнут значительный прогресс в этой области. Учёным удалось создать и поддерживать суперпозиционное состояние Шрёдингера в атомах иттербия-173 на протяжении нескольких минут — время когерентности, значительно превосходящее ранее достигнутые показатели.

Выбор атомов иттербия-173

Основным фактором, обусловившим успех исследования, стал выбор атомов иттербия-173. Ядро атома иттербия-173 обладает ядерным спином 5/2, что обеспечивает существенно большую гибкость управления его квантовыми состояниями по сравнению с системами, использующими атомы со спином 1/2. Более высокое значение спина расширяет возможности для создания различных квантовых состояний и позволяет использовать более сложные квантовые алгоритмы для повышения точности измерений. Увеличение числа квантовых состояний также напрямую влияет на увеличение чувствительности к измеряемым параметрам. Это ключевой фактор в квантовой метрологии, где стремятся достичь предельной точности измерений.

Создание и стабилизация суперпозиции

Для создания суперпозиционного состояния, аналогичного состоянию «кота Шрёдингера», использовался нелинейный спиновый поворот. Это осуществлялось с помощью лазерного излучения, которое индуцировало нелинейные сдвиги энергии атомов в зависимости от проекции их спина на заданное направление. В результате атомы оказались в суперпозиции двух максимально удалённых друг от друга спиновых состояний (+5/2 и -5/2). Это состояние является хрупким, поскольку внешние воздействия могут быстро привести к декогеренции и потере когерентности. Чтобы предотвратить это, учёные использовали специальный метод, основанный на принципах защиты состояния в декогерентно-свободном подпространстве (ДСП).

Декогерентно-свободное подпространство (ДСП)

ДСП — это подпространство в полном гильбертовом пространстве квантовой системы, которое является инвариантным относительно некоторых типов шумов и внешних воздействий. В данном эксперименте ДСП было реализовано путём использования оптической решётки с «магической» длиной волны. Это означает, что лазерные поля, создающие оптическую ловушку, были точно настроены таким образом, чтобы минимально влиять на квантовое состояние атомов и предотвратить потери когерентности, вызванные неоднородностью лазерных полей. Эта «защита» является ключевым фактором, позволяющим достичь рекордного времени когерентности суперпозиционного состояния.

Квантовая метрология и предел Гейзенберга

Долгоживущее состояние Шрёдингера было успешно применено для высокоточного измерения магнитного поля. Точность измерения, достигнутая в эксперименте, приблизилась к квантово-механическому пределу Гейзенберга, фундаментальному ограничению точности измерения, определяемому принципами квантовой механики. Это значительно превосходит возможности классических методов измерения магнитного поля. Достигнутая точность открывает новые возможности для разработки сверхчувствительных магнитометров, необходимых в различных областях науки и техники.

Перспективы дальнейших исследований

Достижение учёных — это не только демонстрация принципиальной возможности создания долгоживущих суперпозиционных состояний, но и открытие новых перспектив для дальнейших исследований. Сочетание суперпозиционных состояний отдельных атомов с многочастичной запутанностью, а также использование более совершенных методов подавления декогеренции могут привести к ещё более значительным улучшениям в точности квантовых измерений. Это открывает широкие возможности для разработки более совершенных квантовых сенсоров, квантовых компьютеров и других квантовых технологий.

В заключение, исследование продемонстрировало создание и поддержание суперпозиционного состояния Шрёдингера в атомах иттербия-173 с беспрецедентно долгим временем когерентности. Это открывает новые перспективы в области квантовой метрологии и способствует развитию квантовых технологий. Использование декогерентно-свободного подпространства является ключевым фактором, позволившим достичь такого прогресса.