Ученые создали облако из атомов, не имеющих традиционных физических свойств - «Наука и технологии»

Объекты, находящиеся в реальном физическом мире, окружающем нас с вами, обладают свойствами независимо друг от друга и вне зависимости от того, наблюдаемы мы за этими объектами или нет. Как-то Альберт Эйнштейн спросил, существует ли Луна даже тогда, когда на нее никто не смотрит? И ответ на этот вопрос весьма очевиден - да. Однако, такая очевидная уверенность является ошибочной в призрачном мире маленьких элементарных частиц, поведение которых описывается законами квантовой механики. Местоположение, скорость, магнитный момент и момент вращения частицы могут быть совершенно неопределенными, более того, эти характеристики могут проявляться только в момент их измерений или зависеть от квантового состояния других частиц.

Если принять во внимание недостоверное предположение о том, что атомы обладают некими параметрами независимо от измерений этих параметров и не зависят друг от друга, то можно вывести так называемое неравенство Белла (теорему Белла). Однако, эти уравнения описывают то, что свойства атомов, находящихся в определенном квантовом состоянии взаимосвязаны и это называется корреляцией Белла. Теорема Белла также определяет, что свойства атома проявляются лишь в момент измерения этого свойства, в любое другие время они не только неизвестны, их даже не существует как класса.

Группа исследователей из университета Базеля (University of Basel), возглавляемая профессорами Николасом Сэнгоуардом (Nicolas Sangouard) и Филиппом Треутлейном (Philipp Treutlein), работая совместно с коллегами из Сингапура, впервые наблюдала явление корреляции Белла в большой квантовой системе, состоящей из 480 атомов конденсата Бозе-Эйнштейна. Подобные наблюдения проводились и ранее, но в них было задействовано очень малое количество квантовых частиц, четыре фотона света в одном случае и 14 атомов во втором случае. А в данном случае результаты экспериментов указывают на то, что специфичные квантовые эффекты проявляются должным образом и в больших квантовых системах.

Для наблюдения эффекта корреляции Белла в большой квантовой системе ученым потребовалось сначала разработать новый метод, который не требует измерений свойств какой-либо отдельно взятой частицы, такое попросту невозможно на нынешнем уровне развития науки и техники. В этом деле ученым помогло еще одно уравнение из серии неравенств Белла, которое было открыто не так давно. Ученые создали облако из атомов, которые были охлаждены при помощи лазерного света до температуры, на несколько тысячных долей градуса превышающей температуру абсолютного нуля.

Атомы в таком облаке постоянно сталкиваются и между их магнитными моментами возникает явление квантовой запутанности. Когда количество запутанных атомов достигает определенной величины, то можно обнаружить эффекты влияния корреляции Белла. "Можно предположить, что случайные столкновения атомов только увеличивают количество хаоса в системе" - рассказывает Роман Шмид (Roman Schmied), ведущий исследователь, - "Однако, квантово-механические свойства этих атомов становятся запутанными настолько, что это нарушает классическую статистику".

В созданном учеными конденсате Бозе-Эйнштейна каждый из атомов переведен в состояние квантовой суперпозиции. Такие атомы запутываются путем столкновений, в результате чего ученые имеют возможность рассчитать, сколько из атомов продолжают оставаться в состоянии суперпозиции. Отношение атомов, сохранивших и утерявших свое изначальное состояние, изменяется неопределенным образом от эксперимента к эксперименту. А когда отношение падает ниже некоего предела, становится ясным то, что атомы будто бы предварительно "согласовались" с результатами измерений их параметров, и такое "согласование" достаточно точно описывается корреляцией Белла.

Проделанная учеными работа имеет пока больше всего чисто теоретическое значение, но в будущем она может открыть новые возможности для реализации множества квантовых технологий, к примеру, для генерации случайных чисел, безопасных квантовых коммуникаций и квантовых вычислений. "Корреляции Белла в системах, состоящих из большого числа квантовых частиц - это пока еще совершенно неизведанная область, в которой имеется масса нерешенных вопросов" - рассказывает Роман Шмид, - "Проводя наши эксперименты, мы входим в область обширного "белого пятна" на карте знаний о физике окружающего нас мира".