Прорыв в квантовой физике: Китай создал долгоживущее состояние кота Шрёдингера для точных измерений

Исследователи из Университета науки и технологий Китая (USTC) добились значительного прогресса в квантовой физике, создав долгоживущее состояние кота Шрёдингера. Это достижение открывает новые возможности для квантовой метрологии и сверхточных измерений, а также способствует развитию квантовых вычислений и фундаментальных исследований в физике.

Группа исследователей под руководством профессора Чжэнтяня Лу и Тянь Ся впервые успешно создала квантовое состояние, сохраняющееся в течение нескольких минут, используя оптически захваченные холодные атомы. Этот прорыв позволяет значительно повысить чувствительность измерений в квантовой метрологии. Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature Photonics.

В квантовой метрологии спин частиц используется в качестве эффективного инструмента для измерения магнитных полей, инерции и других физических величин. Он также может помочь в открытии новых физических явлений, выходящих за рамки Стандартной модели. Состояние кота Шрёдингера с высоким спином, представляющее собой суперпозицию двух максимально противоположных спиновых состояний, обладает уникальными преимуществами для проведения высокоточных измерений.

Высокое квантовое число спина усиливает сигнал прецессионной частоты, тем самым повышая разрешение измерений. Кроме того, состояния кота обладают устойчивостью к определенным внешним воздействиям, что снижает уровень шума. Однако ключевой проблемой в практическом применении является поддержание когерентности в течение длительного времени, что необходимо для эффективного использования состояний кота в точных измерениях.

Чтобы решить эту задачу, исследовательская группа поместила атомы 173Yb со спином 5/2 в оптическую решетку. Управляя лазерными импульсами для создания нелинейных световых сдвигов в основных состояниях атомов, ученые успешно создали суперпозицию двух спиновых проекций: +5/2 и -5/2. Это состояние, представляющее собой состояние кота Шрёдингера, обладает повышенной чувствительностью к магнитному полю и демонстрирует идентичные световые сдвиги в оптической решетке, находясь в подпространстве, свободном от декогерентности. В результате, оно невосприимчиво к колебаниям интенсивности и пространственным изменениям решетки.

Экспериментальные результаты показали, что время когерентности этого состояния кота превысило 20 минут. Используя интерферометрию Рэмси, исследователи подтвердили, что достигнутая чувствительность измерения фазы приблизилась к пределу Гейзенберга.

Создание этого долгоживущего состояния кота Шрёдингера открывает новые перспективы для атомной магнитометрии, квантовых вычислений и изучения фундаментальных вопросов физики за пределами Стандартной модели.