Исследователи получили гибридное оптическое состояние, в котором световой импульс одновременно существует в двух различимых состояниях и остаётся квантово связан с отдельным фотоном. Параметр размера такого состояния α² составил 2,4 против прежних 1,4.

В квантовой механике световой импульс до измерения может находиться в суперпозиции нескольких вариантов одновременно. В эксперименте свет удерживали в суперпозиции двух когерентных состояний — двух разных положений одной волны в фазовом пространстве.

Чем дальше эти состояния отстоят друг от друга, тем более хрупкой становится суперпозиция. Малейшие потери света, шум или контакт с внешним миром постепенно разрушают квантовую связь. Увеличение α² с 1,4 до 2,4 значит, что физикам удалось раздвинуть компоненты суперпозиции заметно дальше и сохранить их квантовые свойства.

Ключевым инструментом стали атомы в ридберговском состоянии. Электрон в таком атоме получает мощный энергетический импульс и уходит далеко от ядра. Благодаря огромному электронному облаку такие атомы сильно влияют на соседей. Один фотон способен заметно изменить условия для другого, хотя свет обычно почти не взаимодействует сам с собой.

Исследователи использовали этот эффект как квантовый переключатель. Управляющий фотон переводили в суперпозицию двух путей: в одном он превращался в ридберговское возбуждение атомов внутри резонатора, в другом обходил его. Основной световой импульс проходил через установку. Если возбуждение присутствовало, резонатор менял фазу света на π — фактически переворачивал волну.

После возврата управляющего фотона получались два различимых состояния светового импульса. Эта связь и создаёт гибридную систему: одна часть хранится в непрерывном состоянии светового поля, другая в дискретном состоянии фотона.

В основе лежит ридберговская электромагнитно-индуцированная прозрачность. Лазер заставляет атомную среду пропускать свет там, где она его обычно поглощала. При появлении ридберговского возбуждения сильное взаимодействие атомов меняет условия прохождения света. Это позволяет управлять отдельными фотонами мощнее, чем обычные оптические материалы, и одновременно бороться с декогеренцией.

Физики создали шесть состояний разного размера и проверили их квантовой томографией — многократно измеряли свет с разных сторон и восстановили его квантовое состояние, как при компьютерной томографии.

У всех полученных нечётных состояний функция Вигнера содержала отрицательные области. Эта функция служит картой квантового состояния света. Обычный классический свет описывается без отрицательных участков, поэтому такие области указывают на поведение, которое нельзя объяснить классической оптикой.

Даже самый крупный кот сохранил квантовую запутанность. При α² = 2,4 точность соответствия состоянию Белла составила 51,2 ± 0,4%, что статистически заметно превысило критический порог 50%.

Предыдущий рекорд установили в 2019 году с помощью одного атома в высокодобротном оптическом резонаторе, достигнув α² = 1,4. Обычные нелинейные оптические материалы получали значения примерно до 0,8, поэтому ридберговский ансамбль заметно увеличил расстояние между компонентами суперпозиции.

До по-настоящему больших квантовых состояний физикам ещё далеко. Главная проблема — потери фотонов. При формировании состояния эффективные потери достигали 20,2 ± 1,1%, а система регистрации теряла ещё около 21% света. Мешали также ограниченное время взаимодействия, неполная ридберговская блокада и фазовый шум лазеров.

Авторы предлагают увеличить длительность световых импульсов, уменьшить размер атомного ансамбля и точнее стабилизировать лазеры. Ранние расчёты показывали, что такая схема потенциально способна работать с гораздо более крупными оптическими состояниями.

Гибридные состояния интересны для квантовых технологий, так как объединяют два способа хранить информацию: в отдельных квантовых состояниях и в непрерывных свойствах светового поля. Такие системы рассматривают для оптических квантовых вычислений и передачи квантовой информации. Работа пока не демонстрирует готовый вычислитель или канал связи, но показывает, что крупные световые суперпозиции можно создавать и удерживать лучше, чем раньше.