«Апостериори»: Учёные научились создавать новые формы квантовых состояний

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Физики из Оксфордского университета впервые экспериментально создали произвольные суперпозиции сложных квантовых состояний. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review X в 2026 году, могут помочь в разработке новых методов квантовых вычислений, более точных сенсоров и технологий коррекции ошибок.

Одно из самых необычных свойств квантовой механики заключается в том, что частицы могут находиться не только в одном конкретном состоянии, а в их комбинации – суперпозиции. Например, квантовый объект может одновременно обладать несколькими возможными состояниями до момента измерения. Именно это свойство лежит в основе работы квантовых компьютеров.

Однако для практического использования квантовых систем важно уметь создавать не любые суперпозиции, а состояния с определёнными свойствами. До сих пор учёные в основном работали с относительно простыми вариантами: например, с суперпозициями двух состояний. Создание более сложных комбинаций оставалось в основном теоретической задачей.

В новой работе исследователи использовали ион стронция, удерживаемый с помощью электромагнитного поля в специальной ловушке. Учёные использовали движение иона как квантовый аналог колебательной системы – например, микроскопической пружины, которая подчиняется законам квантовой механики. В отличие от обычного кубита, такая система может находиться в бесконечном наборе дискретных квантовых состояний, соответствующих разным уровням энергии. Дополнительное внутреннее состояние иона использовалось для управления этим движением.

Сначала учёные создавали связь между внутренним состоянием иона и его движением. В результате система оказывалась в состоянии, где разные варианты движения иона были связаны с разными состояниями самого атома. Затем исследователи проводили специальное измерение внутреннего состояния иона. Это измерение не просто показывало результат эксперимента, а фактически выбирало один из возможных вариантов и подготавливало нужную суперпозицию движения иона.

Используя этот подход, физики смогли создавать суперпозиции нескольких типов состояний. В частности, они получили состояния, в которых квантовая система одновременно обладала разными вариантами «сжатия». Сжатие – это эффект, при котором квантовые свойства системы перераспределяются: одна характеристика становится более точно определённой, но другая становится менее определённой. Такие состояния уже используются в экспериментах по повышению точности измерений.

Кроме того, учёные показали, что могут управлять не только самим типом состояний, но и относительным вкладом каждого из них в итоговую суперпозицию. Фактически они получили возможность задавать структуру квантового состояния почти как программу: изменять его компоненты, их взаимное расположение и свойства.

В будущем такие состояния могут использоваться для создания более устойчивых квантовых компьютеров. Одной из главных проблем современных квантовых технологий остаются ошибки, возникающие из-за взаимодействия квантовых систем с окружающей средой. Новые типы суперпозиций обладают дополнительными симметриями, которые потенциально позволяют эффективнее обнаруживать и исправлять такие ошибки.