Простой способ создать квантовое состояние-призрак ✛ ✎ ✦

Оригинал: "Deterministic Mechanical Wigner Negativity via Nonlinear Cavity Quantum Optomechanics in the Unresolved-Sideband Regime"
arXiv:2505.01942v2 · 2025-05-03 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 1 мин
Обычный резонатор, работающий как кривое зеркало, сам рождает квантовые состояния с отрицательной вероятностью.

Квантовая механика допускает вигнеровскую функцию — что-то вроде карты вероятностей, которая иногда уходит в минус, словно призрак. Это говорит о том, что система находится в суперпозиции (наложении состояний), не имеющей аналогов в обычной жизни. Обычно, чтобы вызвать такую «отрицательность» у механических колебаний, нужны экстремальные условия. Но физики нашли путь проще: резонатор с нелинейным откликом работает как кривое зеркало. Короткий лазерный импульс, отражаясь, искажается и «наматывает» квантовую странность на движение — и вот уже вигнеровская отрицательность проявляется без лишних ухищрений.

Поразительно: отрицательность выживает, даже если колебание слегка нагрето (примерно один квант энергии).

Это топливо для квантовых компьютеров и алгоритмов, ресурс для квантовой информации. Кроме того, метод обещает упростить детекторы гравитационных волн, придуманные Райнером Вайссом — там тоже борются с квантовой неопределённостью и потерей квантовых свойств. Работы Дэвида Уайнленда и Сержа Ароша вдохновляли авторов и помогли снизить требования к эксперименту.

Функцию Вигнера придумал Юджин Вигнер в 1932 году как мостик между классической и квантовой физикой. Её отрицательные значения — это что-то вроде «призраков вероятности»: они сообщают, что перед нами глубоко неклассическое состояние, но прямо измерить эту отрицательность нельзя, только вычислить косвенно.

\delta = \int |W(X,P)|\, dX dP - 1
Мера неклассичности: ноль для привычных гауссовых состояний, а при появлении вигнеровской отрицательности становится положительной — словно счётчик призрачности.
f(X)=\frac{1+i(\frac{\mu}{2}X+\bar\Delta)}{1-i(\frac{\mu}{2}X+\bar\Delta)}
Математическое сердце трюка: связывает входное и выходное световое поле; её нелинейный изгиб по X и вырезает отрицательные доли в вигнеровской функции.
Учёные
Julian SchwingerJohn Stewart BellGeorge GamowLeo EsakiRichard FeynmanJohn Clauser
Понятия
функция Вигнера гауссовы состояния тёмное состояние неопределённость координаты вакуум нелинейная динамика оптически детектируемый магнитный резонанс квантовая случайность нелинейная оптика квантовая оптомеханика