Cercetătorii de la Universitatea Oxford au realizat un nou tip de superpoziție cuantică, un fenomen asociat deseori cu faimosul experiment de gândire „pisica lui Schrödinger”. Spre deosebire de versiunile anterioare, noile stări demonstrate sunt construite din componente cuantice extrem de nonclasice. Această realizare ar putea contribui la avansarea calculului cuantic dincolo de sistemele binare tradiționale, la îmbunătățirea tehnologiilor de senzori și la oferirea de noi perspective asupra fundațiilor fizicii cuantice.
Una dintre cele mai surprinzătoare caracteristici ale mecanicii cuantice este că obiectele pot exista simultan în mai multe stări. Acest concept este ilustrat frecvent prin pisica lui Schrödinger, o pisică ipotetică ce este considerată atât vie, cât și moartă până când este observată. Deși experimentul de gândire este ficțional, oamenii de știință creează în mod curent superpoziții cuantice reale în laborator. Atomii, lumina și chiar mișcarea pot fi plasate în multiple stări cuantice simultan. Abilitatea de a genera și controla aceste stări este critică pentru tehnologii precum computerele cuantice și ceasurile ultra-precise. Un exemplu familiar este bitul cuantic, sau qubitul, care poate exista într-o combinație a stărilor 0 și 1 în același timp. Cu toate acestea, sistemele cuantice sunt capabile de mult mai mult decât un comportament pe două stări. Oscilatoarele armonice cuantice, care pot ocupa multe niveluri de energie, oferă un set mult mai bogat de posibilități. Aceste oscilatoare descriu o gamă largă de sisteme fizice, incluzând lumina, vibrațiile și mișcarea particulelor captive. Oamenii de știință le-au folosit pentru a crea multe tipuri diferite de superpoziții cuantice. Un exemplu binecunoscut este „starea pisică”, în care un oscilator există ca o superpoziție a două pachete de unde care se deplasează în direcții opuse. Aceste pachete de unde, numite stări coerente, sunt cele mai apropiate echivalente cuantice ale mișcării clasice.
Construirea Stărilor Cuantice din Componente Nonclasice Echipa de la Oxford a demonstrat acum o familie complet nouă de superpoziții cuantice. În loc să construiască stări de tip „pisică” din pachete de unde coerente, cercetătorii au dezvoltat o tehnică ce combină o gamă largă de componente cuantice care sunt deja extrem de nonclasice. În superpozițiile de stări comprimate (squeezed-state), de exemplu, incertitudinea cuantică este distribuită diferit pe fiecare parte a stării. Experimentul s-a bazat pe mișcarea unui singur ion captiv. Un ion captiv combină două sisteme cuantice distincte într-o singură platformă. Starea sa internă se comportă ca un qubit, în timp ce mișcarea sa acționează ca un oscilator armonic cuantic ce poate ocupa multe stări motrice diferite. Această combinație face ionii captivi deosebit de utili pentru crearea de stări cuantice care depășesc simplii qubiți convenționali. Pentru a genera noile stări, cercetătorii au pus în aplicare, mai întâi, interacțiuni care au implicat entanglementul stării interne a ionului cu diferite stări motrice posibile. Apoi, au efectuat o măsurătoare cuantică în mijlocul circuitului asupra stării interne, determinând mișcarea ionului să colapseze în superpoziția dorită de componente nonclasice. „Această abordare ne-a oferit un instrument pentru a modela superpoziția cuantică în aproape orice formă”, explică autorul principal, Dr. Sebastian Saner (Departamentul de Fizică, Universitatea Oxford).
Control Programabil al Stărilor Cuantice Exotice Noua metodă a oferit echipei un grad înalt de control asupra stărilor cuantice produse. Prin ajustarea parametrilor experimentali, aceștia au putut modifica dimensiunea, orientarea și separarea relativă a componentelor din cadrul superpoziției. Această flexibilitate le-a permis să creeze o varietate largă de stări motrice cuantice neobișnuite, utilizând același sistem de ioni captivi. Cercetătorii au reconstituit apoi direct stările cuantice. Măsurătorile lor au relevat modele de interferență și regiuni de negativitate Wigner – semne clare că stările nu puteau fi descrise ca amestecuri clasice ordinare. Aceste observații au confirmat că experimentul a produs cu succes superpoziții cuantice autentice, compuse din stări motrice cu adevărat nonclasice. Echipa lucrează acum cu teoreticieni pentru a înțelege mai bine exact cât de „cuantice” sunt aceste stări nou create. „Am fost cu adevărat încurajați de reacția colegilor noștri când le-am arătat ce am realizat. Credem că abia zgâriem suprafața a ceea ce este posibil, atât pentru aplicații practice, cât și pentru înțelegerea acestor stări la un nivel mai fundamental”, spune Dr. Raghavendra Srinivas (Departamentul de Fizică, Universitatea Oxford), care a supervizat lucrarea.
Impact Potențial asupra Calculului Cuantic Cercetarea indică spre viitoare tehnologii cuantice care se bazează pe oscilatori cuantici, în loc de simpli biți cuantici. O aplicație deosebit de promițătoare este calculul cuantic. Aceste tipuri de stări ar putea fi mai rezistente la erori, oferind în același timp strategii de corecție a erorilor mai simple și mai eficiente. Dincolo de calcul, ele oferă o nouă platformă experimentală pentru investigarea uneia dintre cele mai mari întrebări ale fizicii: unde se află granița dintre lumea clasică pe care o experimentăm și realitatea cuantică subiacentă care o guvernează.