Российский Квантовый Центр Russian Quantum Center

News / Новости

Физики из РКЦ научились разводить кошек Шрёдингера Physicists from the Russian Quantum Center and the University of Calgary have learned to breed Schrödinger cats


2017-05-01

Ученые из Российского квантового центра реализовали метод создания квантовых состояний суперпозиции с параметрами, которые потенциально могут выходить за пределы микромира, что позволит, в частности, попытаться найти границы между квантовым и классическим миром. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Photonics.

В мысленном эксперименте немецкого физика Эрвина Шрёдингера скрытая от наблюдателя кошка находилась в суперпозиции двух состояний – была одновременно и живой, и мертвой. Шрёдингер предложил этот эксперимент, чтобы показать, насколько радикально различны макроскопический мир, к которому мы привыкли, и мир микроскопический, управляемый законами квантовой физики, а также насколько парадоксальны результаты попыток применить квантовые концепции к макроскопическим объектам.

Однако развитие квантовых технологий позволяет создавать всё более сложные квантовые состояния, и эксперимент Шрёдингера уже не кажется запредельной фантастикой.

«Одним из фундаментальных вопросов физики является граница между квантовым и классическими мирами. Могут ли квантовые свойства (если обеспечить идеальные условия) наблюдаться у макроскопических предметов? Теория не дает ответа на этот вопрос – может быть, такой границы и нет. Нужен инструмент, который позволит ее нащупать», – говорит профессор Университета Калгари Александр Львовский, глава лаборатории квантовой оптики РКЦ, где был поставлен эксперимент.

«Как определить, где начинается полиция и где кончается Беня Крик?» – в шутку цитирует он Исаака Бабеля.

Именно таким инструментом является физический аналог кошки Шрёдингера – состояние суперпозиции двух состояний физического объекта с противоположными свойствами. В оптике, к примеру, это суперпозиция двух когерентных световых волн с противоположными амплитудами. До сих пор не удавалось получить такие суперпозиции, в которых каждый из членов содержал в себе больше четырех фотонов. Группа Львовского осуществила процедуру «выращивания» таких состояний, позволяющую получать оптических «кошек» сколь угодно высокой амплитуды.

Объясняет соавтор эксперимента, в настоящее время аспирант Университета Калгари Анастасия Пушкина: «Идея эксперимента была предложена в 2003 году группой профессора Тимоти Ральфа из австралийского университета Квинсленда. Суть его состоит в том, чтобы вызвать интерференцию двух «кошек» на светоделительной пластинке. Это приводит к возникновению запутанного состояния в двух выходных каналах светоделителя. В одном из этих каналов ставят специальный детектор. В случае, если этот детектор показывает определенный результат, во втором выходе рождается «кошка» с более чем удвоенной средней энергией».

Группа Львовского впервые на практике испробовала этот метод. В эксперименте им удалось нарастить среднее число фотонов с 1,3 до 3,4, получив при этом несколько тысяч «кошек Шредингера».

«Важно, что процедуру можно повторять: новых «кошек» можно, в свою очередь, соединять на светоделителе, получая ещё большую энергию, и так далее. Таким образом, можно шаг за шагом раздвигать границы квантового мира, и в итоге понять, есть ли у него предел», - отмечает первый автор исследования, аспирант РКЦ и МПГУ Демид Сычев.

Кроме того, по его словам, производство таких макроскопических «котов Шредингера» может быть полезно для квантовых технологий связи, для квантовых вычислений.

The scientists have implemented a method for creating quantum superposition states whose parameters can potentially go beyond microscopic limits, which will help finding the boundaries between the quantum and classical worlds. The results of the study are published in the journal Nature Photonics.

In the 1935 thought experiment of the German physicist Erwin Schrödinger, the cat, hidden from the observer, is in a superposition of two states: it is both alive and dead. Schrödinger proposed this experiment to show how radically different the macroscopic world, to which we are accustomed, and the microscopic world, controlled by the laws of quantum physics, are, and also how paradoxical it is to attempt applying quantum concepts to macroscopic objects.

However, the development of quantum technologies makes it possible to create increasingly complex quantum states, and Schrödinger’s thought experiment no longer seems seem too far out of reach.

"One of the fundamental questions of physics is the boundary between the quantum and classical worlds. Can quantum phenomena (provided ideal conditions) be observed in macroscopic objects? Theory gives no answer to this question: maybe there is no such boundary. What we need is a tool that will probe it," says Alexander Lvovsky, a professor at the University of Calgary, head of the Quantum Optics Laboratory of the RQC, where the experiment was set up.

Exactly such kind of a tool is provided by the physical analogue of the Schrödinger cat – an object in a quantum superposition of two states with opposite properties. In optics, for example, this is a superposition of two coherent light waves with opposite amplitudes. Until now, it has not been possible to obtain such superpositions in which each of the terms contained more than four photons. The Lvovsky group carried out the procedure of "breeding" such states, which makes it possible to obtain optical "cats" of arbitrarily high amplitudes.

A co-author of the experiment, now a graduate student at the University of Calgary Anastasia Pushkina, explains: "The idea of the experiment was proposed in 2003 by the group of Professor Timothy Ralph of the University of Queensland, Australia. In essence, we cause interference of two "cats" on a beam splitter. This leads to an entangled state in the two output channels of that beam splitter. In one of these channels, a special detector is placed. In the event this detector shows a certain result, a "cat" is born in the second output whose energy is more than twice that of the initial one."

The Lvovsky group realized this method in practice. In the experiment, they generated several thousand "Schrodinger cats" in which the average number of photons increased from 1.3 to 3.4.

"It is important that the procedure can be repeated: new "cats" can, in turn, be overlapped on a beam splitter, producing one with even higher energy, and so on. Thus, it is possible to push the boundaries of the quantum world step by step, and eventually to understand whether it has a limit," says the first author of the study, a graduate student from the Russian Quantum Center and the Moscow State Pedagogical University, Demid Sychev.

In addition, according to him, such macroscopic "Schrodinger cats" can be useful for quantum communication technologies as well as for quantum computing.



Lecture Courses | Курсы лекций