Группа учёных из МФТИ и ВНИИА им. Н. Л. Духова разработала теоретическую схему получения макроскопических квантовых суперпозиций света — так называемых «котов Шрёдингера» — путём упругого рассеяния лазерного излучения на свободных электронах. Предложенный механизм, не требующий нейтральной среды и эффективный в условиях, где классический метод генерации высоких гармоник оказывается малоэффективным, открывает новые горизонты для квантовых технологий и фундаментального изучения взаимодействия света и материи. Результаты опубликованы в Physical Review A (DOI: 10.1103/3gjp-f7br) при поддержке гранта РНФ 24-12-00055.
«Кот Шрёдингера» в квантовой оптике — это световое поле, существующее в двух макроскопически разных состояниях (например, с разными фазами или амплитудами) одновременно. Подобно мысленному эксперимету с котом, такая суперпозиция имеет решающее значение для квантовых вычислений, сверхточных измерений и защищённой связи.
Традиционно «котов» получают через генерацию высоких гармоник, когда мощный лазерный импульс возбуждает атом до многократного поглощения фотонов и последующего излучения одного фотона с высокой энергией. Однако при сильной ионизации среды свободные электроны мешают процессу, снижая его эффективность.
Вместо того чтобы удалять электроны, авторы работы предложили использовать их коллективный «шлейф». При упругом (Томсоновском) рассеянии фотон меняет фазу, слегка «отскакивая» от свободного электрона. Набор таких мелких фазовых сдвигов образует сложный отклик: лазерное поле оказывается в суперпозиции исходного состояния и слегка смещённого в фазовом пространстве.
После условного измерения — регистрации хотя бы одного рассеянного фотона — всё лазерное поле коллапсирует в квантовую суперпозицию этих двух макроскопических компонент, формируя «кота Шрёдингера».
Е. Андрианов, старший научный сотрудник и доцент кафедры теоретической физики им. Л. Д. Ландау МФТИ:
«Мы доказали, что свободные электроны не вредят, а помогают: их коллективные столкновения с фотонами оставляют уникальный квантовый «отпечаток», превращая мощное лазерное поле в полноценный «кот» после фиксации одного рассеянного фотона».
Ключевое преимущество предложенного метода — его универсальность. В отличие от высоких гармоник, механизм на основе Томсоновского рассеяния одинаково эффективен и для линейно, и для циркулярно поляризованного лазера, что позволяет изолировать процесс и избежать побочных эффектов.
Регулируя параметры лазера и условия эксперимента, можно настроить суперпозицию: получить состояние с ярко выраженной неклассичностью (глубокие отрицательные области Вигнера) или повысить число фотонов при меньшей «квантовости».
Таким образом, метод предлагает надёжный инструмент для создания неклассических состояний света и углубляет знания о взаимодействии лазерного поля с плазмой, трансформируя ранее нежелательные свободные электроны в ценный ресурс.
Научная статья: Evgeny S. Andrianov, Oleg I. Tolstikhin, “Formation of a Schrödinger cat state of a strong circularly polarized laser field due to Thomson scattering by free electrons”, Physical Review A 112, 013117 (2025), DOI 10.1103/3gjp-f7br.
