Физики установили новый рекорд, соединив горячий суп из 15 триллионов атомов в странное явление, называемое квантовой запутанностью. Открытие может стать крупным прорывом в создании более точных датчиков для обнаружения пульсаций в пространстве-времени, называемых гравитационными волнами, или даже неуловимой темной материи, которая, как считается, пронизывает Вселенную.
Запутывание - квантовый феномен, который Альберт Эйнштейн, как известно, называет «пугающим действием на расстоянии», - это процесс, в котором две или более частиц становятся связанными, и любое действие, совершаемое с одной из них, мгновенно влияет на другие, независимо от того, насколько они удалены друг от друга. Запутанность лежит в основе многих новых технологий, таких как квантовые вычисления и криптография.
Запутанные состояния печально известны своей хрупкостью; их квантовые связи могут быть легко нарушены малейшей внутренней вибрацией или помехами от внешнего мира. По этой причине ученые пытаются достичь самых низких температур, возможных в экспериментах, чтобы запутать атомы; чем ниже температура, тем меньше вероятность того, что атомы столкнутся друг с другом и нарушат свою когерентность. Для нового исследования ученые из Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне, Испания, использовали противоположный подход, нагревая атомы в миллионы раз горячее, чем типичный квантовый эксперимент, чтобы посмотреть, может ли запутывание сохраниться в горячей и хаотической среде.
«Запутанность - одна из самых замечательных квантовых технологий, но она очень хрупкая», - говорит Цзя Конг, приглашенный ученый из ICFO и ведущий автор исследования. «Большинство связанных с запутанностью квантовых технологий должны применяться в низкотемпературной среде, такой как холодная атомная система. Это ограничивает применение состояний запутанности».
Вещи становятся горячими и грязными
Исследователи нагревали небольшую стеклянную трубку, наполненную испаренным рубидием и инертным газом азотом, до 350 градусов по Фаренгейту (177 градусов по Цельсию), что по совпадению идеально подходит для выпечки печенья. При этой температуре горячее облако атомов рубидия находится в состоянии хаоса, где каждую секунду происходят тысячи атомных столкновений. Подобно бильярдным шарам, атомы отскакивают друг от друга, передавая свою энергию и вращение. Но, в отличие от классического бильярда, это вращение не отражает физическое движение атомов.
В квантовой механике вращение является фундаментальным свойством частиц, так же как масса или электрический заряд, который дает частицам собственный угловой момент. Во многих отношениях вращение частицы аналогично вращающейся планете, обладающей как угловым моментом, так и создающим слабое магнитное поле, называемое магнитным моментом. Но в мире квантовой механики классические аналогии рушатся. Само понятие, что частицы, такие как протоны или электроны, являются вращающимися твердыми объектами размера и формы, не соответствует квантовому мировоззрению. И когда ученые пытаются измерить вращение частицы, они получают один из двух ответов: вверх или вниз. В квантовой механике нет промежуточных звеньев.
К счастью, крошечные магнитные поля, создаваемые вращением частицы, позволяют ученым измерять вращение множеством уникальных способов. Один из них включает в себя поляризованный свет или электромагнитные волны, которые колеблются в одном направлении.
Исследователи выпустили луч поляризованного света на трубу с атомами рубидия. Поскольку вращение атомов действуют как крошечные магниты, поляризация света вращается, когда он проходит через газ и взаимодействует с его магнитным полем. Это легкое атомное взаимодействие создает крупномасштабную запутанность между атомами и газом. Когда исследователи измеряют вращение световых волн, которые выходят с другой стороны стеклянной трубки, они могут определить общее вращение газа атомов, которое, следовательно, переносит запутанность на атомы и оставляет их в запутанном состоянии.
«Измерение, которое мы использовали, основано на взаимодействии легких атомов», - сказал Конг. «При надлежащих условиях взаимодействие создаст корреляцию между светом и атомами, и затем, если мы сделаем правильное обнаружение, корреляция будет передана в атомы, что приведет к запутыванию между атомами. Удивительно, что эти случайные столкновения не разрушили запутывание».
Фактически, «горячая и грязная» среда внутри стеклянной трубки была ключом к успеху эксперимента. Атомы находились в том, что физики называют макроскопическим спиновым синглетным состоянием, совокупностью пар суммарных спиновых сумм частиц, равных нулю. Первоначально запутанные атомы передают свое запутывание друг другу посредством столкновений в игре квантовой метки, обменивая их вращения, но сохраняя общее вращение на нуле, и позволяя состоянию коллективного запутывания сохраняться в течение по крайней мере миллисекунды. Например, частица A запутывается с частицей B, но когда частица B сталкивается с частицей C, она связывает обе частицы с частицей C и так далее.
Это «означает, что 1000 раз в секунду запутывается новая партия из 15 триллионов атомов», - говорится в заявлении Конга. Одна миллисекунда «это очень длительное время для атомов, достаточное для того, чтобы произошло около 50 случайных столкновений. Это ясно показывает, что запутанность не разрушается этими случайными событиями. Это, пожалуй, самый удивительный результат работы».
Поскольку ученые могут понять только коллективное состояние запутанных атомов, применение их исследований ограничено специальным использованием. Технологии, подобные квантовым компьютерам, скорее всего, не обсуждаются, поскольку необходимо знать состояние индивидуально запутанных частиц для хранения и отправки информации.
Однако их результаты могут помочь разработать сверхчувствительные детекторы магнитного поля, способные измерять магнитные поля более чем в 10 миллиардов раз слабее, чем магнитное поле Земли. Такие мощные магнитометры находят применение во многих областях науки. Например, при изучении нейробиологии магнитоэнцефалография используется для получения изображений головного мозга путем обнаружения ультра слабых магнитных сигналов, испускаемых мозговой деятельностью.
«Мы надеемся, что такого рода гигантское запутанное состояние приведет к повышению производительности сенсоров в приложениях, начиная с визуализации мозга, до автомобилей с автоматическим управлением и поиска темной материи», - сказал Морган Митчелл, профессор физики и руководитель группы лаборатории в заявлении.