En mecánica cuántica , el estado del gato , que lleva el nombre del gato de Schrödinger , [1] es un estado cuántico que se compone de dos condiciones diametralmente opuestas al mismo tiempo , [2] como las posibilidades de que un gato esté vivo y muerto al mismo tiempo. hora.
Generalizando el experimento mental de Schrödinger , cualquier otra superposición cuántica de dos estados macroscópicamente distintos también se conoce como estado de gato. Un estado de gato podría ser de uno o más modos o partículas, por lo que no es necesariamente un estado entrelazado. Estos estados felinos se han realizado experimentalmente de diversas formas y a distintas escalas.
Estados de gato sobre partículas distintas
Concretamente, un estado de gato puede referirse a la posibilidad de que múltiples átomos estén en una superposición de todos los espines hacia arriba y todos hacia abajo , conocida como estado de Greenberger-Horne-Zeilinger (estado GHZ), que está muy entrelazado . Tal estado para seis átomos fue realizado por un equipo dirigido por David Wineland en NIST en 2005. [3]
Ópticamente, el estado GHZ se puede realizar con varios fotones distintos en una superposición de todos polarizados verticalmente y todos polarizados horizontalmente . Estos han sido realizados experimentalmente por un equipo dirigido por Pan Jianwei en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China , por ejemplo, entrelazamiento de cuatro fotones, [4] entrelazamiento de cinco fotones, [5] entrelazamiento de seis fotones, [6] ocho- entrelazamiento de fotones, [7] y estado cat de cinco fotones y diez qubit. [8]
Esta formulación de giro hacia arriba / hacia abajo fue propuesta por David Bohm , quien concibió el giro como un observable en una versión de experimentos mentales formulados en la paradoja de la EPR de 1935 . [9]
Estados de gato en modos únicos
En óptica cuántica , un estado de gato se define como la superposición cuántica de dos estados coherentes de fase opuesta de un solo modo óptico (por ejemplo, una superposición cuántica de un gran campo eléctrico positivo y un gran campo eléctrico negativo):
- ,
dónde
- ,
y
- ,
son estados coherentes definidos en base al número ( Fock ). Tenga en cuenta que si sumamos los dos estados, el estado cat resultante solo contiene los términos del estado de Fock par:
- .
Como resultado de esta propiedad, el estado de gato anterior a menudo se denomina estado de gato par . Alternativamente, podemos definir un estado de gato extraño como
- ,
que solo contiene estados fock impares
- .
Los estados coherentes pares e impares fueron introducidos por primera vez por Dodonov, Malkin y Man'ko en 1974. [10]
Superposición lineal de estados coherentes
Un ejemplo simple de un estado cat es una superposición lineal de estados coherentes con fases opuestas, cuando cada estado tiene el mismo peso: [11]
Cuanto mayor sea el valor de α, menor será la superposición entre los dos estados coherentes clásicos macroscópicos exp (-2α 2 ), y mejor se acercará a un estado ideal de gato. Sin embargo, la producción de estados cat con un gran número medio de fotones (= | α | 2 ) es difícil. Una forma típica de producir estados cat aproximados es mediante la resta de fotones de un estado de vacío comprimido . [12] [13] Este método generalmente se restringe a valores pequeños de α, y tales estados se han denominado estados de "gatito" de Schrödinger en la literatura. Se han propuesto métodos para producir superposiciones de estados coherentes más grandes a través de la sustracción de multifotones, [14] a través de la sustracción asistida por ancilla, [15] o mediante múltiples pasos de catálisis de fotones. [16] También se han propuesto y demostrado experimentalmente métodos ópticos para "criar" estados de gato entrelazando dos estados de "gatito" más pequeños en un divisor de haz y realizando una medición homodina en una salida [17] . [18] Si los dos "gatitos" tienen una magnitud luego, cuando una medición homodina probabilística en la cuadratura de amplitud de una salida del divisor de haz produce una medición de Q = 0, el estado de salida restante se proyecta en un estado cat agrandado donde la magnitud se ha incrementado a [17] [18]
Sanders ha propuesto superposiciones de estados coherentes para la computación cuántica. [19]
Estados de gato de orden superior
También es posible controlar el ángulo de espacio de fase entre las amplitudes coherentes involucradas, de modo que no sean diametralmente opuestas. Esto es distinto de controlar la relación de fase cuántica entre los estados. Los estados cat con 3 y 4 subcomponentes se han realizado experimentalmente, [20] por ejemplo, uno podría tener un estado cat triangular:
o un triángulo superpuesto con estado de vacío:
o un estado de gato cuadrado:
Decoherencia
La superposición cuántica en los estados felinos se vuelve más frágil y susceptible a la decoherencia, cuanto más grandes son. Para un estado de gato bien separado dado ( | α | > 2), una absorción de 1 / | α | 2 es suficiente para convertir el estado cat en una mezcla casi igual de estados cat pares e impares. [21] Por ejemplo, con α = 10 , es decir, ~ 100 fotones, una absorción de solo 1% convertirá un estado de gato par en 57% / 43% par / impar, aunque esto reduce la amplitud coherente en solo 0.5% . En otras palabras, la superposición se arruina efectivamente después de la probable pérdida de un solo fotón. [22]
Referencias
- ^ John Gribbin (1984), En busca del gato de Schrödinger , ISBN 0-552-12555-5 , 22 de febrero de 1985, Transworld Publishers, Ltd, 318 páginas.
- ^ Dennis Overbye , " Truco cuántico: probar la teoría más extraña de Einstein ". The New York Times Tuesday ( Science Times ), 27 de diciembre de 2005, páginas D1, D4.
- ^ D. Leibfried, E. Knill, S. Seidelin, J. Britton, RB Blakestad, J. Chiaverini, D. Hume, WM Itano, JD Jost, C. Langer, R. Ozeri, R. Reichle y DJ Wineland. "Creación de unestado ' gato Schrödinger ' de seis átomos". Naturaleza . 1 de diciembre de 2005, 639–642.
- ^ Zhao, Zhi; Yang, Tao; Chen, Yu-Ao; Zhang, An-Ning; Żukowski, Marek; Pan, Jian-Wei (28 de octubre de 2003). "Phys. Rev. Lett. 91, 180401 (2003) - Violación experimental del realismo local por el enredo de cuatro fotones Greenberger-Horne-Zeilinger". Cartas de revisión física . 91 (18): 180401. arXiv : quant-ph / 0302137 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.91.180401 . PMID 14611269 . S2CID 19123211 .
- ^ Pan, Jian-Wei; Briegel, Hans J .; Yang, Tao; Zhang, An-Ning; Chen, Yu-Ao; Zhao, Zhi (julio de 2004). "Demostración experimental de entrelazamiento de cinco fotones y teletransportación de destino abierto". Naturaleza . 430 (6995): 54–58. arXiv : quant-ph / 0402096 . Código Bib : 2004Natur.430 ... 54Z . doi : 10.1038 / nature02643 . PMID 15229594 . S2CID 4336020 .
- ^ Lu, Chao-Yang; Zhou, Xiao-Qi; Gühne, Otfried; Gao, Wei-Bo; Zhang, Jin; Yuan, Zhen-Sheng; Goebel, Alexander; Yang, Tao; Pan, Jian-Wei (2007). "Entrelazamiento experimental de seis fotones en estados de gráfico". Física de la naturaleza . 3 (2): 91–95. arXiv : quant-ph / 0609130 . Código Bibliográfico : 2007NatPh ... 3 ... 91L . doi : 10.1038 / nphys507 . S2CID 16319327 .
- ^ Yao, Xing-Can; Wang, Tian-Xiong; Xu, Ping; Lu, He; Pan, Ge-Sheng; Bao, Xiao-Hui; Peng, Cheng-Zhi; Lu, Chao-Yang; Chen, Yu-Ao; Pan, Jian-Wei (2012). "Observación del entrelazamiento de ocho fotones". Nature Photonics . 6 (4): 225–228. arXiv : 1105.6318 . Código bibliográfico : 2012NaPho ... 6..225Y . doi : 10.1038 / nphoton.2011.354 . S2CID 118510047 .
- ^ Gao, Wei-Bo; Lu, Chao-Yang; Yao, Xing-Can; Xu, Ping; Gühne, Otfried; Goebel, Alexander; Chen, Yu-Ao; Peng, Cheng-Zhi; Chen, Zeng-Bing; Pan, Jian-Wei (2010). "Demostración experimental de un estado de gato Schrödinger de diez qubit hiper-entrelazados". Física de la naturaleza . 6 (5): 331–335. arXiv : 0809.4277 . Código Bibliográfico : 2010NatPh ... 6..331G . doi : 10.1038 / nphys1603 . S2CID 118844955 .
- ^ Amir D. Aczel (2001), Enredo: la historia poco probable de cómo científicos, matemáticos y filósofos demostraron la teoría más espeluznante de Einstein . ISBN 0-452-28457-0 Penguin: rústica, 284 páginas, índice.
- ^ VV Dodonov; IA Malkin; VI Man'ko (15 de marzo de 1974). "Estados coherentes pares e impares y excitaciones de un oscilador singular". Physica . 72 (3): 597–615. Código Bibliográfico : 1974Phy .... 72..597D . doi : 10.1016 / 0031-8914 (74) 90215-8 .
- ^ Souza, LAM; Nemes, MC; Santos, M. França; de Faria, JG Peixoto (15 de septiembre de 2008). "Cuantificación de la desintegración de las propiedades cuánticas en estados monomodo". Comunicaciones ópticas . 281 (18): 4696–4704. arXiv : 0710.5930 . Código bibliográfico : 2008OptCo.281.4696S . doi : 10.1016 / j.optcom.2008.06.017 . S2CID 119286619 .
- ^ Ourjoumtsev, Alexei; Tualle-Brouri, Rosa; Laurat, Julien; Grangier, Philippe (7 de abril de 2006). "Generación de gatitos Schrödinger ópticos para el procesamiento de información cuántica". Ciencia . 312 (5770): 83–86. Código Bibliográfico : 2006Sci ... 312 ... 83O . doi : 10.1126 / science.1122858 . ISSN 0036-8075 . PMID 16527930 . S2CID 32811956 .
- ^ Wakui, Kentaro; Takahashi, Hiroki; Furusawa, Akira; Sasaki, Masahide (19 de marzo de 2007). "Estados comprimidos sustraídos de fotones generados con KTiOPO4 polarizado periódicamente". Optics Express . 15 (6): 3568–3574. arXiv : quant-ph / 0609153 . Bibcode : 2007OExpr..15.3568W . doi : 10.1364 / OE.15.003568 . ISSN 1094-4087 . PMID 19532600 . S2CID 119367991 .
- ^ Takeoka, Masahiro; Takahashi, Hiroki; Sasaki, Masahide (12 de junio de 2008). "Superposición de estado coherente de gran amplitud generada por una sustracción de dos fotones separados en el tiempo de un vacío comprimido de onda continua". Physical Review A . 77 (6): 062315. arXiv : 0804.0464 . Código Bibliográfico : 2008PhRvA..77f2315T . doi : 10.1103 / PhysRevA.77.062315 . S2CID 119260475 .
- ^ Takahashi, Hiroki; Wakui, Kentaro; Suzuki, Shigenari; Takeoka, Masahiro; Hayasaka, Kazuhiro; Furusawa, Akira; Sasaki, Masahide (4 de diciembre de 2008). "Generación de superposición de estado coherente de gran amplitud a través de la resta de fotones asistida por Ancilla". Cartas de revisión física . 101 (23): 233605. arXiv : 0806.2965 . Código Bibliográfico : 2008PhRvL.101w3605T . doi : 10.1103 / PhysRevLett.101.233605 . PMID 19113554 . S2CID 359835 .
- ^ Miller Eaton, Rajveer Nehra, Olivier Pfister (5 de agosto de 2019). "Preparación del estado de Gottesman-Kitaev-Preskill por catálisis de fotones". arXiv : 1903.01925v2 [ quant-ph ].Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ a b Lund, AP; Jeong, H .; Ralph, TC; Kim, MS (17 de agosto de 2004). "Producción condicional de superposiciones de estados coherentes con detección de fotones ineficaz" (PDF) . Physical Review A . 70 (2): 020101. arXiv : quant-ph / 0401001 . Código Bibliográfico : 2004PhRvA..70b0101L . doi : 10.1103 / PhysRevA.70.020101 . hdl : 10072/27347 . ISSN 1050-2947 . S2CID 23817766 .
- ↑ a b Sychev, DV, Ulanov, AE, Pushkina, AA, Richards, MW, Fedorov, IA y Lvovsky, AI, 2017. Ampliación de los estados ópticos del gato de Schrödinger. Nature Photonics , 11 (6), p. 379.
- ^ Sanders, Barry C. (1 de mayo de 1992). "Estados coherentes entrelazados". Physical Review A . 45 (9): 6811–6815. Código Bibliográfico : 1992PhRvA..45.6811S . doi : 10.1103 / PhysRevA.45.6811 . PMID 9907804 .
- ^ Vlastakis, B .; Kirchmair, G .; Leghtas, Z .; Nigg, SE; Frunzio, L .; Girvin, SM; Mirrahimi, M .; Devoret, MH; Schoelkopf, RJ (2013). "Codificación determinista de información cuántica utilizando estados del gato Schrodinger de 100 fotones" (PDF) . Ciencia . 342 (6158): 607–610. Código Bibliográfico : 2013Sci ... 342..607V . doi : 10.1126 / science.1243289 . ISSN 0036-8075 . PMID 24072821 . S2CID 29852189 .
- ^ Glancy, Scott; de Vasconcelos, Hilma Macedo (2008). "Métodos para producir superposiciones ópticas de estados coherentes". Revista de la Sociedad Americana de Óptica B . 25 (5): 712–733. arXiv : 0705.2045 . Código Bibliográfico : 2008JOSAB..25..712G . doi : 10.1364 / JOSAB.25.000712 . ISSN 0740-3224 . S2CID 56386489 .
- ^ Serafini, A; Siena, S De; Illuminati, F; París, MGA (2004). "Estados felinos de decoherencia mínima en canales ruidosos gaussianos" (PDF) . Journal of Optics B: Óptica cuántica y semiclásica . 6 (6): S591 – S596. arXiv : quant-ph / 0310005 . Código Bibliográfico : 2004JOptB ... 6S.591S . doi : 10.1088 / 1464-4266 / 6/6/019 . ISSN 1464-4266 . S2CID 15243127 .