Група фізиків застосувала квантовий підхід до процесу генерації старших гармонік у полі інтенсивного лазерного випромінювання. Вони показали, що стан поля, створюваний в такому процесі, виявляється істотно некласичним і може бути описаний як стан кота Шредінгера. Разом з розрахунками вчені провели і експеримент, який підтвердив теорію. Дослідження опубліковано в.
Квантова механіка досить точно описує ізольовані атомні системи, цікавлячись, фактично, тільки рухом електронів в електростатичних полях ядер і один одного. У той момент, коли потрібно було описувати взаємодію атомів з випромінюванням, теорія спочатку розглядала світло класично, тобто виключно за допомогою функції напруженості електричного поля, яка описується рішенням класичних рівнянь Максвелла.
З часом фізики навчилися розглядати квантоване електромагнітне поле в рамках квантової оптики. Поле описується за допомогою фоківських станів, тобто станів з певним числом частинок того чи іншого сорту. Згодом виявилося, що звичне нам світло (класичне) має характерний статистичний розподіл за кількістю фотонів, в той час як квантова оптика дозволяє вивчати цілий пласт некласичних станів, які знаходять масу практичних додатків.
Незважаючи на такі успіхи, в квантовій оптиці практично не розглядається взаємодія атомів з сильним полем. Це окремий розділ оптики, що вивчає цікаві ефекти, які виникають, якщо впливати на атомні або молекулярні ансамблі випромінюванням великої інтенсивності. Одним з найцікавіших ефектів стала генерація старших гармонік, суть якої в тому, що у випромінюванні, що проходить через речовину, з'являються компоненти з частотами, кратними частоті падаючого випромінювання.
У своїй новій роботі група фізиків з Іспанії та Греції за участю Мачея Левенштейна (Maciej Lewenstein) з Барселонського інституту науки і технологій провела теоретичне та експериментальне дослідження некласичних станів світла при генерації старших гармонік. Вони показали, що в такому процесі можна створювати екзотичні стани котів Шредінгера, які не можуть бути описані в рамках класичного підходу.
У квантовій механіці станом кота Шредінгера прийнято називати суперпозицію двох когерентних станів деякої системи в контексті великої кількості її ступенів свободи. У квантовій оптиці цей термін вживається для опису некласичних станів світла, які будуються у вигляді суми когерентних (класичних) станів.
Для того, щоб описати процес генерації таких станів, автори розглянули взаємодію лазерної моди в когерентному стані з ансамблем атомів. Вирішуючи динамічне рівняння Шредінгера і для світла, і для атома, а також припускаючи, що внесок всіх атомів в генерацію старших гармонік узгоджений по фазі, вони встановили, що на виході стан основної моди буде відчувати зсув по амплітуді. Іншими словами, кінцевий стан основної моди описується як некласична суперпозиція початкового і зміщеного станів. Важливою особливістю роботи фізиків став опис того, як характеристиками цього зміщення можна керувати безперервно. Якщо зміщення невелике, і обидва стани виявляються дуже схожі, фізики говорять про кошеня Шредінгера, в той час як істотно різні члени суперпозиції свідчать про справжнього кота.
Щоб перевірити свої обчислення за допомогою експерименту, автори поміщали кювету з атомами ксенона на шляху світла в одному з інтерферометра, на вхід якого подавалися інфрачервоні лазерні імпульси тривалістю 35 фемтосекунд. Після фокусування на атомах інтенсивність випромінювання сягала 8 ст.1 1013 ватт на квадратний сантиметр, що призводило до ефективної генерації старших гармонік. Потім фізики здійснювали пост-селекцію вихідного стану, відбираючи ті з них, які містять хоча б один фотон кратної частоти. Нарешті, на виході з інтерферометра відбувалася інтерференція цього поля з полем, яке пройшло по іншому плечу, де йому повідомляли контрольований набіг фази. Сигнал з балансного детектора використовувався для відновлення функції Вигнера, за якою можна судити про статистичні властивості стану. Її форма, отримана з експерименту, свідчила про некласичні стани на виході з інтерферометра, підтверджуючи теорію.
У висновку автори підкреслюють, що розвинена ними техніка може бути використана для генерації котячих станів з великим числом компонент. Вони також відзначають, що удосконалення схеми за допомогою вимірювань з аттосекундною роздільною здатністю дозволить простежити тимчасові кореляції між основною і старшими гармоніками.
Статки котів Шредінгера дуже сильно цікавлять фізиків. Ми вже розповідали, як вони змогли збільшити кількість фотонів, що формують кота Шредінгера, і навіть заплутати двох з них між собою.