Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а вместе они создают сложную мелодию, — так выглядит облако атомов, чьи спины (собственные вращения, словно крошечные волчки) колеблются согласованно. Обычно эти волчки ведут себя независимо. Но стоит поместить их между двумя зеркалами и осветить — и происходит удивительное: свет и атомы начинают «петь» в унисон, запутываясь друг с другом.
В новой работе физики показали, как в таком ансамбле рождается состояние «кота Шрёдингера» — квантовый объект, который одновременно и жив, и мёртв, то есть находится в суперпозиции двух противоположных состояний. Только здесь «кот» не один, а состоит из тысяч атомов. Их спины разом указывают и вверх, и вниз. Ключ к успеху — работа вблизи сверхизлучательного фазового перехода: это как если бы оркестр вдруг заиграл настолько громко и слаженно, что звук вырвался далеко за пределы зала. В этот момент система становится сверхчувствительной. Даже слабое измерение — подсчёт фотонов, вылетевших из резонатора, — позволяет «вырезать» из общего хора нужное состояние.
Авторы провели численное моделирование и аналитические расчёты, подтвердив, что такой метод работает. Более того, они нашли связь с известной в оптике процедурой «вычитания фотонов» — там тоже получают котов, но для одиночных лучей света. Здесь же роль фотонов играют коллективные возбуждения всего атомного облака. Это не просто красивая аналогия: она указывает на глубокое родство между квантовой оптикой и физикой многих тел.
Такой подход может стать основой для новых квантовых технологий, где информация кодируется не в одиночных частицах, а в целых ансамблях, устойчивых к помехам. И кто знает, может, однажды эти «оркестры» зазвучат в квантовых компьютерах или сверхточных датчиках, а дирижёром будет сам свет.
Состояние «кота Шрёдингера» для одного атома — экзотика, а для облака из тысяч атомов — уже почти повседневность: такие объекты живут дольше и их проще контролировать, потому что коллективные эффекты защищают квантовую суперпозицию от разрушения.
В романе «Квантовый вор» Ханну Райаниеми коллективные квантовые состояния используются для хранения сознаний — подобные «коты» из многих частиц могли бы стать идеальными ячейками памяти далёкого будущего.