Свет, который испускает атом, — не просто вспышка. Он несёт отпечаток того, в каком состоянии был атом в момент излучения. Физики взяли сверхпроводящий кубит — искусственный атом размером с микросхему — и заставили его светиться в открытый волновод, как лампочку в длинный коридор. Затем они ловили каждый фотон и смотрели, как меняется его фаза.
Квантовая суперпозиция — это когда атом одновременно находится в двух состояниях, как монета, которая крутится и ещё не упала ни орлом, ни решкой. Оказалось, что статистика фаз испущенных фотонов хранит эту двойственность. Даже если шум велик, распределение фаз остаётся различимым: оно шире, чем у обычного, «упавшего» состояния.
Со временем квантовая монета замедляется и падает: кубит теряет когерентность. Учёные увидели это по двум приметам. Огибающая сигнала — общая яркость вспышки — спадает, и это показывает, как быстро кубит отдаёт энергию. А распределение фаз становится шире, и это указывает на чистую декогеренцию — процесс, когда квантовая информация уходит в окружение, не меняя энергию.
Статистика фаз оказалась прямым количественным зондом когерентности. Такой метод позволяет следить за здоровьем кубита, просто глядя на испущенный им свет. Это важно для квантовых компьютеров, где каждый кубит должен оставаться в суперпозиции как можно дольше.
Свет оказался зеркалом квантового мира: он возвращает нам историю атома в момент излучения. И чем внимательнее мы смотрим на фазу, тем яснее видим, как хрупкая квантовая монета падает на стол.
Сверхпроводящий кубит работает при температуре ниже 0,1 кельвина — это холоднее, чем в открытом космосе. При такой температуре он ведёт себя как один-единственный атом, хотя состоит из миллиардов атомов металла.
Идея читать квантовое состояние по испущенному свету напоминает «световые мечи» из «Звёздных войн»: там оружие светится в зависимости от настройки кристалла, а здесь излучение выдаёт внутреннее состояние кубита.