Физики из МФТИ и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н.Л. Духова (ВНИИА) предложили и теоретически обосновали новый способ создания макроскопических квантовых состояний света, известных как «коты Шрёдингера». Механизм, основанный на рассеянии лазерного излучения на свободных электронах, открывает путь к созданию таких состояний в условиях, где другие, более известные методы, не работают. Это достижение не только расширяет фундаментальное понимание взаимодействия света и материи, но и предоставляет новый инструмент для развития квантовых технологий. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда 24-12-00055.
В мире квантовой физики состояние «кота Шрёдингера» представляет собой один из самых ярких парадоксов. Это квантовая суперпозиция — одновременное существование системы в двух макроскопически различных состояниях. Если в знаменитом мысленном эксперименте речь шла о коте, который одновременно и жив, и мёртв, то в квантовой оптике «котом» называют световое поле, которое находится сразу в двух состояниях, например, с разной фазой или амплитудой, подобно камертону, вибрирующему одновременно в двух противоположных направлениях. Такие состояния важны для квантовых вычислений, сверхточных измерений и квантовой связи.
До недавнего времени основной «фабрикой» по производству световых «котов» считался процесс генерации высоких гармоник. При этом методе мощный лазерный импульс заставляет атом поглотить множество фотонов и затем переизлучить один фотон с очень высокой энергией. Процесс оставляет своего рода «квантовый шрам» на исходном лазерном поле, превращая его в состояние кота Шрёдингера. Однако у этого метода есть фундаментальное ограничение: он эффективно работает только тогда, когда атомы в среде остаются в основном нейтральными. Появление большого количества свободных электронов в результате ионизации газа резко снижает эффективность метода генерации высоких гармоник.
Коллектив российских физиков решил взглянуть на эту проблему под совершенно другим углом. Вместо того чтобы бороться со свободными электронами, они задались вопросом: а что, если именно эти, казалось бы, мешающие частицы могут стать ключом к созданию «котов Шрёдингера»? Ученые построили теоретическую модель, в которой главным действующим лицом стало не взаимодействие света с атомами, а его взаимодействие со «шлейфом» свободных электронов, которые неизбежно появляются при прохождении мощного лазера через газ.
Центральным физическим процессом в их модели стало рассеяние Томсона, при котором фотон упруго «отскакивает» от свободного электрона. Каждый акт рассеяния, пусть и крошечный по своему влиянию, вносит свой вклад в коллективный отклик. В результате исходное когерентное состояние лазерного поля, которое можно представить как гладкую, предсказуемую волну, испытывает едва заметный сдвиг в фазовом пространстве. Таким образом, после взаимодействия в системе одновременно сосуществуют два состояния: исходное, нетронутое поле и поле, испытавшее этот коллективный «толчок» от электронов. Если затем провести специальное измерение, отфильтровав хотя бы один рассеянный фотон, всё гигантское лазерное поле коллапсирует в квантовую суперпозицию этих двух состояний — то есть, становится полноценным котом Шрёдингера.
Рисунок 1. Функция Вигнера для светового поля, которое находится в состоянии «кота Шрёдингера». На панелях (a) и (b) показано состояние при разных значениях параметров. Обведена область отрицательных значений функции Вигнера, наличие которой как раз и является критерием классичности состояния (это визуальное подтверждение квантовой суперпозиции и интерференции). На панели (a) состояние с более выраженной “неклассичностью”, а на панели (b) квантовость менее выражена, зато получено больше фотонов в этом состоянии. Источник: Physical Review A.
Евгений Андрианов, старший научный сотрудник и доцент кафедры теоретической физики им. Л. Д. Ландау МФТИ, так прокомментировал результаты работы: «Мы привыкли думать, что свободные электроны в экспериментах по генерации «котов» — это помеха, от которой нужно избавляться, чтобы не мешать тонкому процессу генерации высоких гармоник. Мы же показали, что эти электроны — не враги, а союзники. Их коллективный «танец» с фотонами лазерного поля оставляет на свете уникальный квантовый отпечаток. Поймав всего один рассеянный фотон, мы, по сути, заставляем всё огромное световое поле «признаться», что оно побывало в двух состояниях одновременно, то есть стало котом Шрёдингера».
Главное преимущество предложенного механизма заключается в его универсальности. В отличие от метода генерации высоких гармоник, который крайне чувствителен к поляризации света и практически не работает для циркулярно поляризованного лазерного излучения (в котором вектор электрического поля вращается подобно штопору), механизм Томсоновского рассеяния работает и в этом случае. Это открывает перед экспериментаторами уникальную возможность: используя циркулярно поляризованный лазер, они могут полностью «выключить» конкурирующий процесс генерации высоких гармоник и изучать новый механизм в чистом виде, без посторонних эффектов. Это значительно упрощает постановку эксперимента и анализ результатов.
Более того, авторы показали, что свойствами «кота» можно гибко управлять. Варьируя параметры эксперимента, можно достичь компромисса: либо получить состояние с ярко выраженными квантовыми свойствами (глубокими отрицательными областями на функции Вигнера), либо состояние с большим числом фотонов, но с менее выраженной «квантовостью».
Эта работа не только предлагает новый, более надежный и гибкий инструмент для создания неклассических состояний света, но и углубляет наше понимание сложных процессов, разворачивающихся на стыке квантовой оптики и физики сверхсильных полей. Она превращает то, что считалось помехой, в полезный ресурс и открывает новые перспективы в экспериментальном исследовании квантового мира.
Научная статья: Evgeny S. Andrianov and Oleg I. Tolstikhin, Formation of a Schrödinger cat state of a strong circularly polarized laser field due to Thomson scattering by free electrons, PHYSICAL REVIEW A 112, 013117 (2025). DOI: 10.1103/3gjp-f7br.
