На протяжении десятилетий концепция квантовой запутанности — то, что Альберт Эйнштейн знаменито называл «жутким действием на расстоянии» — демонстрировалась в основном на частицах света (фотонах) или на внутреннем «спине» атомов. Однако революционное новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, достигло принципиально иного: ученым удалось запутать физическое движение атомов.
Связав импульс двух движущихся атомов, исследователи вышли за пределы области света в область материи, открыв новые горизонты для понимания гравитации и высокоточных измерений.
Прорыв: запутывание импульса
В недавнем эксперименте группа исследователей продемонстрировала, что пары ультрахолодных атомов гелия могут быть связаны квантово-механически через их импульс — сочетание массы объекта и его скорости.
Хотя запутанность наблюдалась и в других формах, этот эксперимент уникален тем, что в нем участвуют частицы, обладающие массой. Это различие имеет решающее значение:
— Фотоны (частицы света) не имеют массы и не зависят от гравитации.
— Атомы обладают массой и напрямую реагируют на гравитационные силы.
Доказав, что импульс может быть запутан, ученые подтвердили, что странные, контринтуитивные правила квантовой механики применимы не только к свету, но и к физическому движению самой материи.
Как проходил эксперимент
Исследование, проведенное группой физиков, в число которых входит Шон Ходжман из Австралийского национального университета, потребовало экстремальных условий и предельной точности.
1. Создание «квантового облака»
Команда начала с облака гелия, охлажденного почти до абсолютного нуля. При таких температурах атомы замедляются настолько, что теряют свою индивидуальность и сливаются в единое коллективное состояние, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна.
2. Метод «гало рассеяния»
Чтобы создать запутанные пары, исследователи использовали точно настроенные лазерные импульсы для манипуляции конденсатом. Они разделили облако на три группы: одну направили вверх, другую — вниз, а третью оставили неподвижной. По мере движения этих облаков атомы сталкивались и разлетались в противоположных направлениях, создавая «гало рассеяния» — сферические оболочки из коррелированных пар атомов.
3. Доказательство «жуткой» связи
Чтобы убедиться, что связь является истинно квантовой, а не просто классическим совпадением, команда использовала интерферометр Рерити-Тапстера. Отражая атомы обратно на самих себя для создания интерференционных картин, они доказали, что атомы находятся в состоянии «суперпозиции» — состоянии, когда они фактически находятся в нескольких местах или состояниях одновременно, пока не будет произведено измерение. Данные, собранные в течение месяца непрерывных испытаний, подтвердили, что эти корреляции невозможно объяснить с точки зрения классической физики.
Почему это важно: от сенсоров до квантовой гравитации
Это не просто теоретическая победа; это имеет глубокие последствия для будущего технологий и нашего понимания Вселенной.
- Сверхточные сенсоры: Запутанные по импульсу атомы могут привести к созданию квантовых сенсоров, способных обнаруживать мельчайшие гравитационные волны или картировать недра Земли с беспрецедентной точностью.
- Проверка пределов физики: Следующим рубежом станет столкновение различных изотопов гелия (гелия-3 и гелия-4). Это позволит создать частицы, запутанные одновременно и по импульсу, и по массе.
- Загадка гравитации: Подобный эксперимент раздвинет границы современной науки. Текущие концепции, такие как Общая теория относительности, с трудом описывают состояния, в которых масса и квантовая запутанность пересекаются. Это может дать важнейшие данные, необходимые для разработки теории квантовой гравитации — «святого грааля» физики, стремящегося объединить самое большое (гравитацию) с самым малым (квантовую механику).
«Наш мозг не совсем приспособлен для того, чтобы осознать это», — отметил Ходжман. «На малых масштабах атомы кажутся размытыми, а не конкретными сгустками… И это кажется очень, очень странным».
Заключение
Успешно запутав импульс массивных атомов, физики преодолели разрыв между квантовой механикой света и физическим миром материи. Этот рубеж прокладывает путь к сенсорам следующего поколения и предоставляет новую, сложную испытательную площадку для проверки фундаментальных законов гравитации и квантовой теории.
