Новый эксперимент с ионами показал необычную структуру квантовых состояний
Учёные создали новый тип квантовой суперпозиции, состоящий исключительно из «неклассических» компонентов, что, по их словам, может расширить понимание фундаментальных основ квантовой механики и открыть новые возможности для квантовых технологий.
Суперпозиция в квантовой физике описывает состояние, при котором система может одновременно находиться в нескольких квантовых состояниях. Этот принцип считается одним из наиболее контринтуитивных аспектов квантовой механики и часто иллюстрируется мысленным экспериментом с «котом Шрёдингера», который одновременно считается и живым, и мёртвым до момента наблюдения.
В практической физике явление суперпозиции активно используется в современных технологиях. Оно лежит в основе работы атомных часов и квантовых вычислительных систем, где квантовые биты могут находиться одновременно в состояниях 0 и 1. Это обеспечивает принципиальное преимущество квантовых вычислений над классическими подходами.
В новом исследовании учёные описывают необычную категорию суперпозиции, сформированную только из компонентов, которые сами по себе являются квантовыми и не имеют классического аналога. Для реализации эксперимента они использовали захваченный ион, в котором объединены два различных квантовых подсистемных уровня: внутреннее состояние, ведущее себя как кубит, и движение, описываемое как квантовый гармонический осциллятор с множеством возможных энергетических уровней.
Для создания требуемого состояния исследователи сначала индуцировали взаимодействие между внутренним состоянием и различными возможными состояниями движения иона. Затем была проведена квантовая измерительная процедура, которая проецировала систему в заданную суперпозицию неклассических компонентов движения.
Как отметил Рагхавендра Шринивас из Оксфордского университета, возглавлявший исследование, учёные получили инструмент, позволяющий «формировать суперпозицию практически любой формы». По его словам, команда только начинает раскрывать потенциал такого подхода как для прикладных задач, так и для фундаментального понимания квантовых состояний.
Дополнительные возможности метода связаны с точной настройкой экспериментальных параметров, что позволяет изменять размер, ориентацию и степень разделения компонентов суперпозиции. Это даёт возможность создавать широкий спектр ранее недоступных квантовых состояний в одной и той же системе захваченных ионов.
Авторы работы также отмечают, что подобные результаты могут оказаться важными для разработки более устойчивых к ошибкам кубитов, что остаётся одной из ключевых проблем квантовых вычислений. Кроме того, исследование предоставляет экспериментальную платформу для изучения границы между классическим и квантовым мирами.
Исследование в журнале Physical Review X.