Российские физики ищут границы квантового мира с помощью «кошек Шредингера»

Российские ученые продемонстрировали метод создания квантовых состояний суперпозиции с параметрами, которые потенциально могли бы выйти за пределы микромира. Эта работа позволит продолжить работу по поиску рубежа между классическим и квантовым миром и ответить на вопрос: могут ли квантовые свойства наблюдаться на макроскопическом уровне? 

Эксперимент немецкого физика Эрвина Шредингера давно стал достоянием не только науки, но и популярной культуры. А все благодаря понятному примеру, который показывает различие между макроскопическим миром и миром микроскопическим, управляемым законами квантовой физики, а также абсурдность попыток применять квантовые концепции в макроскопическом мире. Так, в своем мысленном эксперименте Шредингер предполагал, что скрытая от наблюдателя кошка находится в суперпозиции двух состояний – она одновременно и живая, и мертвая. 

Один из главных вопросов современной физики – определение границы между микроскопическим и макроскопическим мирами. Для определения этой границы недостаточно теоретических расчетов, нужен инструмент, который позволит ее найти. Именно этой работой и занялась группа российских ученых из Российского квантового центра во главе с профессором Университета Калгари (Канада) Александром Львовским.

Физическим аналогом кошки Шредингера является состояние суперпозиции двух состояний физического объекта с противоположными свойствами. В оптике это суперпозиция двух когерентных световых волн с противоположными амплитудами. Получение таких суперпозиций, в которых каждый из членов содержит больше четырех фотонов, до сих пор не было осуществлено. Но группа Львовского показала процедуру «выращивания» таких состояний, а также доказала возможность получать оптических «кошек» сколь угодно высокой амплитуды.

Схема эксперимента, рисунок Российского квантового центра

Идею такого эксперимента высказали в 2003 г. австралийские ученые. Они предполагали вызвать интерференцию двух «кошек» на светоделительной пластинке, что в свою очередь приведет к возникновению запутанного состояния в двух выходных каналах светоделителя. В одном из этих каналов ставят специальный детектор. Если детектор показывает определенный результат, во втором выходе рождается «кошка» с более чем удвоенной средней энергией.

Российские исследователи впервые испробовала этот метод на практике и нарастили среднее число фотонов с 1,3 до 3,4, получив при этом несколько тысяч «кошек Шредингера».

Важность эксперимента состоит в том, что процедуру создания новых «кошек» можно повторять путем соединения полученных «кошек» на светоделителе. Это позволит постепенно раздвигать границы квантового мира, чтобы определить его пределы.