Механический кот Шрёдингера: рождение неклассического состояния в оптомагнитомеханической системе

Автор: Денис Аветисян

В новой работе исследователи предлагают схему генерации механического состояния, подобного кошачьему, используя взаимодействие света, магнитных волн и механических колебаний.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

В рамках исследования оптомеханических систем предложен двухступенчатый протокол генерации кошатовых состояний механического движения, включающий предварительное создание механического сжатого состояния посредством воздействия двумя микроволновыми полями с частотами $ \omega_{\pm} = \omega_m \pm \omega_b$, за которым следует вычитание фононов слабым оптическим импульсом, детектируемым по антистоксовым фотонам в выходном поле полости.

Предложенная схема основана на сжатии механического мода в оптомагнитомеханической системе и последующем вычитании фононов посредством оптических импульсов.

Поддержание квантовой когерентности в макроскопических системах остается сложной задачей. В работе, посвященной ‘Generation of mechanical cat-like states via optomagnomechanics’, предложен новый подход к генерации «кошачьих» состояний — квантовых суперпозиций — в механических осцилляторах. Авторы демонстрируют, что, используя совместное воздействие опто- и магнитомеханических эффектов, возможно последовательное сжатие механического состояния и последующее вычитание фононов посредством оптических импульсов, формируя тем самым желаемую суперпозицию. Открывает ли это путь к новым экспериментальным проверкам фундаментальных аспектов квантовой механики и созданию высокочувствительных квантовых датчиков?

Квантовые состояния: от теории к практике

Исследование неклассических состояний, таких как “кот Шрёдингера”, играет ключевую роль в развитии передовых квантовых технологий. Эти состояния, демонстрирующие принципы суперпозиции и запутанности, позволяют создавать кубиты, обладающие гораздо большей вычислительной мощностью по сравнению с классическими битами. Способность генерировать и контролировать подобные состояния является необходимым условием для создания квантовых компьютеров, способных решать задачи, непосильные для современных машин. Кроме того, неклассические состояния открывают перспективы в области квантовой криптографии и сверхчувствительных сенсоров, способных фиксировать мельчайшие изменения в окружающей среде, что делает их востребованными в различных областях науки и техники. Разработка методов создания и поддержания когерентности этих состояний — одна из главных задач современной квантовой физики, определяющая будущее квантовых технологий.

Квантовые состояния, известные как «кот Шрёдингера», демонстрируют фундаментальные принципы квантовой механики — суперпозицию и запутанность. Суперпозиция позволяет квантовой системе одновременно находиться в нескольких состояниях, например, быть одновременно «включенной» и «выключенной», в отличие от классических систем, которые могут быть только в одном состоянии в определенный момент времени. Запутанность же представляет собой корреляцию между двумя или более квантовыми частицами, где состояние одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, вне зависимости от расстояния между ними. Эти явления, описываемые математически посредством волновой функции $ \Psi $, лежат в основе возможностей квантовых вычислений и коммуникаций, позволяя создавать системы, превосходящие возможности классических технологий в решении определенных задач.

Успешная демонстрация и контроль над кошачьими состояниями имеют решающее значение для прогресса в области квантовых информационных технологий и сенсорики. Эти неклассические состояния, характеризующиеся суперпозицией и запутанностью, позволяют создавать кубиты с повышенной устойчивостью к декогеренции — основной проблеме в построении надежных квантовых компьютеров. В частности, кошачьи состояния позволяют реализовать более точные измерения, превосходящие классический предел, что открывает возможности для создания высокочувствительных квантовых сенсоров, способных обнаруживать слабые сигналы в различных областях, от гравитационно-волновой астрономии до биомедицинской диагностики. Помимо этого, манипулирование кошачьими состояниями является ключевым шагом к созданию топологических кубитов — перспективных элементов квантовых вычислений, устойчивых к ошибкам, вызванным шумом и внешними воздействиями. Таким образом, развитие методов создания и контроля над этими экзотическими квантовыми состояниями является фундаментальной задачей для реализации практических квантовых технологий.

Оптомеханические и магнитомеханические подходы к подготовке состояний

В настоящее время создание состояний, подобных кошачьим ($|Ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩$), чаще всего осуществляется с использованием сверхпроводящих цепей и ионных ловушек. Сверхпроводящие кубиты обеспечивают высокую степень контроля и когерентности, необходимые для реализации нелинейных взаимодействий, формирующих эти состояния. Ионные ловушки, в свою очередь, характеризуются длительным временем когерентности и высокой точностью операций, что также позволяет эффективно генерировать и манипулировать состояниями, подобными кошачьим. Обе платформы требуют сложного оборудования и точного контроля параметров для минимизации декогеренции и достижения высокой верности генерации состояний.

Оптомеханические и магнитомеханические системы представляют собой перспективные альтернативные платформы для генерации квантовых состояний, известных как “кот Шрёдингера” ($|ψ⟩ = 1/√2(|0⟩ + |1⟩)$). В отличие от традиционных подходов, использующих сверхпроводящие схемы или ионные ловушки, эти системы используют взаимодействие света или микроволн с механическим движением. Это взаимодействие позволяет осуществлять квантовое управление механическим осциллятором, что необходимо для создания и манипулирования суперпозициями, определяющими состояние “кота”. Преимущества включают потенциальную масштабируемость и совместимость с технологиями микро- и наномеханики.

Оптические и магнитомеханические системы используют взаимодействие между электромагнитным излучением (светом или микроволнами) и квантовыми механическими колебаниями для осуществления квантового управления. В основе этого подхода лежит куплование между фотонами или микроволнами и фононами — квантами механических колебаний. Например, изменение амплитуды света или микроволн может приводить к изменению амплитуды и фазы механических колебаний, что позволяет манипулировать квантовым состоянием механического осциллятора. Эффективность такого куплования зависит от силы взаимодействия и частотной близости между электромагнитным полем и механическим резонатором, определяемой параметрами системы, включая частоту резонатора и мощность излучения. Такое взаимодействие позволяет создавать суперпозиции квантовых состояний механического осциллятора, необходимые для подготовки и манипулирования квантовыми состояниями.

Магнонное сжатие и вычитание фононов

Магнитомеханическая система использует магноны — квантованные спиновые волны — в качестве посредника взаимодействия между механическим осциллятором и магнитным режимом. Магноны представляют собой коллективные возбуждения в магнитной упорядоченной среде, и их квантование позволяет рассматривать их как квазичастицы с определенным импульсом и энергией. В данной системе, взаимодействие происходит за счет обмена магнонами между механическим резонатором и магнитным режимом, что приводит к когерентной связи между ними. Энергия магнонов, определяемая параметрами магнитной структуры, влияет на частоту и амплитуду механических колебаний, и наоборот, что является основой для реализации различных квантовых эффектов и манипуляций.

Для создания сжатого состояния механического движения используется двухчастотное возбуждение. Применение двухчастотного поля позволяет добиться сжатия механического движения с параметром сжатия, равным 1.25. Данный параметр, обозначаемый как $r$, определяет степень уменьшения квантовых флуктуаций в одной квадратуре механического движения по сравнению с другой. Значение $r = 1.25$ указывает на значительное уменьшение шума в выбранной квадратуре, что необходимо для последующего формирования кошачьего состояния посредством вычитания фононов.

Для создания состояния, подобного кошачьему (cat-like state), используется вычитание фононов из предварительно подготовленного сжатого состояния механического осциллятора. Этот процесс опосредован регистрацией антистокс-фотонов, сигнализирующих об удалении единичного фонона. Вероятность успешного вычитания одного фонона и формирования целевого состояния составляет 1%. Данный метод позволяет эффективно управлять квантовым состоянием механического осциллятора, приближая его к суперпозиции двух когерентных состояний, характерной для кошачьего состояния.

Вид функции Вигнера показывает сжатое механическое состояние, полученное после вычитания однофононного (a) и двухфононного (b) состояний, параметры указаны в тексте.

Теоретическое моделирование и характеристика системы

Для описания динамики связанной системы магнон-механических колебаний используются квантовые уравнения Ланжевена (QLE). Эти уравнения представляют собой стохастические дифференциальные уравнения, учитывающие как детерминированную эволюцию системы, так и случайные флуктуации, вызванные взаимодействием с окружающей средой. В рамках QLE вводятся операторы, описывающие эволюцию как механических, так и магнонных степеней свободы, а также шумовые операторы, представляющие квантовые флуктуации, обусловленные тепловым шумом и другими источниками декогеренции. Решение QLE позволяет получить статистические характеристики системы, такие как средние значения, корреляционные функции и спектральные плотности, необходимые для анализа и оптимизации её квантовых свойств. В частности, QLE используются для моделирования генерации неклассических состояний, таких как кошачьи состояния, и для оценки влияния различных параметров системы на её когерентность и стабильность.

Матрица ковариаций (МК) является ключевым инструментом для анализа квантовых флуктуаций в системе, позволяя количественно оценить неопределенности в квадратурах операторов. В контексте подготовки квантовых состояний, МК предоставляет информацию о степени квантовой запутанности и когерентности, а также о влиянии шума и потерь на процесс. Форма МК позволяет определить, насколько состояние приближается к желаемому, например, к кошачьему состоянию, и оптимизировать параметры системы для достижения наилучших результатов. Анализ МК включает в себя вычисление критериев Пфафа, которые позволяют установить минимальный уровень шума, необходимый для сохранения квантовых свойств системы, и оценивать эффективность методов подавления шума.

Описание плотности матрицы позволяет верифицировать генерацию когерентных состояний, известных как «кошачьи состояния» ($|W\rangle$). Экспериментально, данная генерация достигнута при среднем числе тепловых фононов, равном 0.013, при скорости затухания оптического резонатора 3 МГц и силе магнитомеханического взаимодействия 2 кГц. Данные параметры обеспечивают необходимую когерентность и амплитуду для наблюдения квантовых суперпозиций, подтверждая неклассический характер созданного состояния.

Функция Вигнера отображает сжатое механическое колебание, при этом пунктирная окружность указывает на флуктуации вакуума, а параметры подробно описаны в тексте.

Перспективы и потенциальное влияние

Предложенный магнитно-механический подход открывает перспективные пути к созданию устойчивых и масштабируемых состояний Шрёдингера — так называемых «кошачьих состояний». В отличие от существующих методов, требующих прецизионного контроля и часто ограниченных в масштабе, данная методика использует взаимодействие механических колебаний с магнитной системой, обеспечивая более надежную генерацию квантовой суперпозиции. Возможность масштабирования особенно важна, поскольку позволяет создавать более сложные квантовые системы, необходимые для развития квантовых вычислений и коммуникаций. Успешная реализация данного подхода может существенно продвинуть область квантовых технологий, предоставив альтернативу традиционным методам, основанным на объемных акустических резонаторах, и открывая новые возможности для создания высокочувствительных квантовых сенсоров и прецизионных измерительных приборов.

Используемый в системе гранат итрия, железа (YIG) демонстрирует многообещающие свойства когерентности, что является ключевым фактором для создания стабильных квантовых состояний. Этот материал характеризуется низким уровнем магнитных потерь и высокой добротностью, позволяя поддерживать когерентность квантовых суперпозиций в течение достаточно длительного времени — порядка нескольких микросекунд. Особенностью YIG является его способность эффективно взаимодействовать с микроволновым излучением, что облегчает управление спиновыми состояниями и создание запутанных состояний. Такие характеристики делают YIG перспективным материалом для реализации масштабируемых квантовых систем и открывают возможности для разработки высокоточных квантовых сенсоров и устройств обработки информации, превосходящих по некоторым параметрам традиционные технологии, основанные на объемных акустических резонаторах.

Успешная реализация данного подхода может оказать существенное влияние на развитие квантовых сенсоров, метрологии и обработки информации, предложив альтернативу традиционным методам, основанным на использовании объемных акустических резонаторов. Преимущество заключается в потенциальной миниатюризации и повышении эффективности систем, что открывает перспективы для создания более точных и чувствительных приборов. Особенно значимым представляется возможность применения в областях, требующих высокой точности измерений, таких как медицинская диагностика, мониторинг окружающей среды и фундаментальные научные исследования. Разработка компактных и эффективных квантовых сенсоров позволит проводить измерения с беспрецедентной точностью и скоростью, что приведет к новым открытиям и технологическим прорывам в различных областях науки и техники. Кроме того, альтернативный подход к генерации квантовых состояний может снизить зависимость от сложных и дорогостоящих технологий, способствуя более широкому внедрению квантовых технологий.

Степень сжатия механического колебания зависит от соотношения частот связи и температуры окружающей среды, при этом оптимизация одной из частот связи позволяет достичь максимального сжатия при заданной температуре.

Исследование демонстрирует изящную, но неизбежно компромиссную схему генерации механических кошачьих состояний. Идея использования оптомагномерных систем для «вычитания» фононов, хоть и теоретически элегантна, неминуемо столкнётся с реалиями производственной оптимизации. Ведь как только схема будет реализована, всегда найдётся способ её упростить, а вместе с упрощением — и потерять часть изначальной «неклассичности». Как заметил Нильс Бор: «Противоположности противоположны, но противоположности также тождественны». Это наблюдение применимо и здесь: стремление к идеальному квантовому состоянию и необходимость практической реализации неизбежно приводят к появлению противоположных тенденций, которые нужно учитывать при разработке системы.

Что дальше?

Предложенная схема генерации «кошачьих» состояний, безусловно, элегантна в своей теоретической завершённости. Однако, за каждым «революционным» шагом в области оптомеханики неизбежно возникает вопрос о масштабируемости. Успешная генерация неклассических состояний в лабораторных условиях — это одно, а сохранение когерентности и преодоление декогеренции в реальных системах — совсем другое. Вероятно, большая часть будущих усилий будет направлена не на поиск новых способов генерации, а на борьбу с неизбежными потерями и шумами.

Особое внимание, скорее всего, потребуется уделить оптимизации процесса «вычитания фононов». Идеальный оптический импульс, который бы уносил только нежелательные фононы, оставаясь незамеченным для когерентного состояния, — это, мягко говоря, утопия. В реальности, каждый импульс — это дополнительный источник шума и неуверенности. Иногда лучше просто смириться с неидеальностью, чем пытаться построить сложную систему, где каждая деталь — потенциальная точка отказа.

Не стоит забывать и о практическом применении. Утверждения о потенциале для квансоринга — это, конечно, красиво, но пока лишь гипотетические возможности. На данный момент, выглядит так, будто сложность системы значительно превышает потенциальную выгоду. И, как это часто бывает, через несколько лет все вернутся к более простым, хотя и менее «революционным», решениям. Иногда монолит оказывается надёжнее сотни микросервисов, каждый из которых врёт.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.10347.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-12-14 09:38