Протягом десятиліть концепція “квантової заплутаності” – те, що Альберт Ейнштейн знаменито називав “жахливою дією на відстані” – демонструвалася в основному на частинках світла (фотонах) або на внутрішньому “спині” атомів. Однак революційне нове дослідження, опубліковане в журналі Nature Communications, досягло принципово іншого: вченим вдалося заплутати фізичний рух атомів.
Зв’язавши імпульс двох рухомих атомів, дослідники вийшли за межі області світла в область матерії, відкривши нові горизонти для розуміння гравітації та високоточних вимірів.
Прорив: заплутування імпульсу
У недавньому експерименті група дослідників продемонструвала, що пари ультрахолодних атомів гелію можуть бути пов’язані квантово-механічно через їхній імпульс — поєднання маси об’єкта та його швидкості.
Хоча заплутаність спостерігалася і в інших формах, цей експеримент унікальний тим, що в ньому беруть участь частинки, які мають масу. Ця відмінність має вирішальне значення:
– “Фотони” (частки світла) не мають маси і не залежать від гравітації.
– Атоми мають масу і безпосередньо реагують на гравітаційні сили.
Довівши, що імпульс може бути заплутаний, вчені підтвердили, що дивні, контрінтуїтивні правила квантової механіки застосовні не лише до світла, а й до фізичного руху самої матерії.
Як проходив експеримент
Дослідження, проведене групою фізиків, до яких входить Шон Ходжман з Австралійського національного університету, зажадало екстремальних умов та граничної точності.
1. Створення «квантової хмари»
Команда почала з хмари гелію, охолодженого майже до абсолютного нуля. За таких температур атоми сповільнюються настільки, що втрачають свою індивідуальність і зливаються в єдиний колективний стан, відомий як конденсат Бозе-Ейнштейна.
2. Метод «гало розсіювання»
Щоб створити заплутані пари, дослідники використовували точно налаштовані лазерні імпульси для маніпуляції конденсатом. Вони розділили хмару на три групи: одну направили вгору, іншу вниз, а третю залишили нерухомою. У міру руху цих хмар атоми стикалися і розліталися у протилежних напрямках, створюючи «гало розсіювання» — сферичні оболонки з корелюваних пар атомів.
3. Доказ «моторошного» зв’язку
Щоб переконатися, що зв’язок є істинно квантовим, а не просто класичним збігом, команда використовувала інтерферометр Реріті-Тапстера. Відбиваючи атоми назад на себе для створення інтерференційних картин, вони довели, що атоми перебувають у стані «суперпозиції» — стані, що вони фактично перебувають у кількох місцях чи станах одночасно, доки буде зроблено вимір. Дані, зібрані протягом місяця безперервних випробувань, підтвердили, що це кореляції неможливо пояснити з погляду класичної фізики.
Чому це важливо: від сенсорів до квантової гравітації
Це не просто теоретична перемога; це має глибокі наслідки для майбутнього технологій та нашого розуміння Всесвіту.
- Надточні сенсори: Заплутані по імпульсу атоми можуть призвести до створення квантових сенсорів, здатних виявляти найдрібніші гравітаційні хвилі або картувати надра Землі з безпрецедентною точністю.
- Перевірка меж фізики: Наступним рубежем стане зіткнення різних ізотопів гелію (гелію-3 та гелію-4). Це дозволить створити частинки, заплутані одночасно і за імпульсом, і по масі.
- Загадка гравітації: Подібний експеримент розсуне межі сучасної науки. Поточні концепції, такі як Загальна теорія відносності, важко описують стани, в яких маса і квантова заплутаність перетинаються. Це може дати найважливіші дані, необхідні розробки теорії квантової гравітації — «святого грааля» фізики, прагне об’єднати найбільше (гравітацію) із найменшим (квантову механіку).
“Наш мозок не зовсім пристосований для того, щоб усвідомити це”, – зазначив Ходжман. «На малих масштабах атоми здаються розмитими, а не конкретними згустками… І це здається дуже дивним».
Висновок
Успішно заплутавши імпульс масивних атомів, фізики подолали розрив між квантовою механікою світла та фізичним світом матерії. Цей рубіж прокладає шлях до сенсорів наступного покоління та надає новий, складний випробувальний майданчик для перевірки фундаментальних законів гравітації та квантової теорії.
