Как свободные электроны превращаются в «кота Шредингера»

Физики из МФТИ и ВНИИА имени Н. Л. Духова предложили новый способ создавать так называемые макроскопические квантовые состояния света — «котов Шредингера». Их идея основана на взаимодействии лазерного излучения не с атомами, как обычно, а со свободными электронами. Такой подход открывает дорогу к генерации квантовых состояний там, где привычные методы бессильны.

В квантовой физике «кот Шредингера» — это система, которая одновременно находится в двух несовместимых состояниях. В знаменитом мысленном эксперименте речь шла о коте, который может быть и жив, и мертв. В квантовой оптике роль «кота» играет световое поле, находящееся сразу в двух состояниях, например с разными фазами или амплитудами — словно камертон, колеблющийся в противоположных направлениях одновременно. Такие состояния — ценный ресурс для квантовых вычислений, связи и прецизионных измерений.
До сих пор главным инструментом для получения «световых котов» считалась генерация высоких гармоник: мощный лазерный импульс взаимодействует с атомом, который поглощает много фотонов и испускает один — но с куда большей энергией. Лазерное поле при этом «шрамируется», переходя в состояние кота. Но у метода есть слабое место: он работает только в условиях, когда атомы остаются нейтральными. Если же образуется слишком много свободных электронов (а это почти неизбежно при сильных лазерах), эффективность резко падает.

Перевернуть проблему с ног на голову
Российские физики предложили противоположный ход: вместо того чтобы избавляться от электронов, использовать их как союзников. В основе их модели лежит рассеяние Томсона — упругое «отражение» фотона от свободного электрона. Каждое отдельное рассеяние едва заметно, но вместе они формируют коллективный отклик, смещая лазерное поле в фазовом пространстве.
В результате система оказывается сразу в двух состояниях: исходном и «сдвинутом». А если зарегистрировать хотя бы один рассеянный фотон, все огромное лазерное поле «коллапсирует» в суперпозицию этих двух состояний — то есть превращается в кота Шредингера.

Евгений Андрианов, старший научный сотрудник МФТИ, объясняет: «Мы показали, что свободные электроны — не враги, а союзники. Их танец с фотонами оставляет уникальный квантовый отпечаток. Поймав один-единственный рассеянный фотон, мы заставляем всё поле признать, что оно побывало сразу в двух состояниях».

Преимущества нового механизма
Главное достоинство метода — универсальность. В отличие от генерации гармоник, он работает и для циркулярно поляризованного лазера, где конкурирующий процесс вовсе «выключается». Это значительно упрощает постановку экспериментов.
Кроме того, параметры «кота» можно настраивать: выбирать между более «квантовыми» состояниями (с выраженными отрицательными значениями функции Вигнера) и состояниями с большим числом фотонов, но менее четкой квантовостью.

Что это значит для науки
Предложенный механизм превращает то, что раньше считалось помехой, в ресурс. Он дает исследователям новый инструмент для генерации неклассических состояний света и помогает глубже понять процессы на стыке квантовой оптики и физики сильных полей.

Источник: Танец свободных электронов рождает квантового кота Шрёдингера — За науку