Механику запутали на четверть миллиметра

Физики квантово запутали механические колебания

Физикам удалось квантовым образом запутать механические колебания двух систем. Где проходит граница между классическим и квантовым описанием мира, и есть ли она вообще, стало совсем непонятно. Зато методы, которые при этом использовались, пригодятся в создании квантовых компьютеров.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2811441",
    "incutNum": 1,
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_3206673_i_1"
}

Изобретатель знаменитого кота и один из отцов квантовой механики Эрвин Шрёдингер считал явление квантовой запутанности штукой ещё более удивительной, чем способность элементарных частиц быть одновременно в двух местах или двигаться сразу в нескольких направлениях. Запутанные частицы, разнеси их хоть на километры, каким-то образом «чувствуют» друг друга, и изменение состояния одной мгновенно сказывается на состоянии другой. Это-то и поражает — если, конечно, рассматривать их, как две частицы, а не единую систему.

Собственно, именно со Шрёдингера начались исследования запутанности: он первым привлёк внимание к тому факту, что система из двух и более квантовых объектов может оказаться в состоянии, которому не соответствует никакое из состояний составляющих её частей по отдельности. По словам самого австрийского физика, это «нельзя назвать иначе, как полный отход от классического мышления».

Как отличить неведение от неопределённости?

С точки зрения здравого смысла, причин, которые могли бы привести к чёткой корреляции между результатами измерения состояний запутанных частиц (например, «если здесь «+», то там «–», а если здесь «–», то там «+»» в случае с проекциями спинов электронов), может быть две. Либо первая из частиц, переходя в фиксированное состояние из неопределённого, как-то сигнализирует второй запутанной с ним частице и заставляет её также перейти в определённое состояние. Либо с самого начала какой-то коварный демон эксперимента разделил все пары на (+ –) и (– +), а мы просто не знаем, какой из вариантов реализуется в данном конкретном опыте.

На первый взгляд кажется, что наше неведение от реальной неопределённости невозможно. Первым придумал, как это сделать, ирландский физик Джон Белл. В 60-х годах прошлого века он вывел своё знаменитое «неравенство Белла», которому должны подчиняться результаты эксперимента в случае, если предположение о наличии «коварного демона» верно.

Белл и последователи, обобщившие его результаты, обратили внимание на то обстоятельство, что в случае предопределённости с самого начала могут быть заданы результаты только одного опыта – определения направления спина в заданном направлении. Квантовая же механика утверждает, что классическая реальность, по сути, появляется в момент измерения (по крайней мере, так можно интерпретировать её результаты).

И никто не мешает изменить правила опыта и измерить спин и в направлении, перпендикулярном исходному – заранее узнать, как наблюдатель будет измерять эту величину, коварный демон не может. Значит, не сможет он и подготовить пары частиц к такому нестандартному измерению. Поиграв немного математическими формулами можно вывести универсальное условие, которое всегда будет выполнено, если пары части для наших опытов поставляет коварный демон, и может нарушаться, если классическая реальность и вправду появляется лишь в момент измерения состояния частицы.

Однако активная работа и понимание важности запутывания начали развиваться лишь с 1980-х годов, когда экспериментаторы на опыте проверили выполнение неравенства Белла и выяснили, что запутанность нельзя заменить никакими сколь угодно сложными изысками классической физики. Примерно в то же время теоретики начали придумывать запутанности разнообразные приложения, и к настоящему времени их список включает квантовую телепортацию, квантовую криптографию и, во многом, квантовые вычисления.

Тем не менее до сих пор физики ограничивались лишь запутыванием сугубо квантовых свойств частиц, не проявляющихся в классическом мире, например, спинов — внутренних моментов вращения квантовых частиц. Обычно про спин говорят, что он может быть направлен вверх или вниз, хотя со знакомыми нам вертикальными направлениями эта квантовая эзотерика имеет мало общего.

И хотя принципиальных отличий в описании запутывания спина от запутывания, скажем, энергии не существует, у скептиков оставалась лазейка. Может быть, запутывание, которое Эйнштейн презрительно назвал «призрачным дальнодействием», может касаться лишь сугубо квантовых величин, не имеющих классических аналогов? Ведь даже сам Шрёдингер считал, что в природе должен существовать какой-то закон, который не позволит запутанности проявляться в классическом мире. Тем не менее он не был прав.

Сегодня запутывание стало чуть ближе к знакомой нам реальности: физики из Национального института стандартов и технологий США под руководством аспиранта Университета Колорадо Джона Джоста смогли запутать механические колебания двух пар ионов.

Работа Джоста и его коллег опубликована в последнем номере Nature.

Учёные поместили два иона бериллия ⁹Be⁺ друг рядом с другом в специальную электромагнитную ловушку и для начала с помощью серии лазерных импульсов запутали как раз спиновые состояния двух ионов. То есть спины каждой из частиц по отдельности оставались неопределёнными, а вся система в целом состояла из равной смеси двух состояний, допускающих классическую интерпретацию – спин первой частицы вверх, а второй вниз и первой частицы вниз, а второй вверх.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 3,
    "picsrc": "Фотография электромагнитной ловушки, в которой удерживались запутанные механические осцилляторы из ионов бериллия и магния в ходе эксперимента. // J.Jost",
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3206673_i_3"
}

После этого физики засунули между двумя ионами бериллия пару других ионов – магния ²⁴Mg⁺, и с помощью электрического поля развели пары Be--Mg на расстояние в четверть миллиметра (точнее, 240 мкм). Обе пары за счёт электрического притяжения и отталкивания колеблются вокруг общего центра масс, как будто соединённые крохотной пружинкой длиной всего в 4 микрона. Потревоженные перемещением частицы по отдельности вновь охладили до низкой температуры с помощью лазера; при этом лишнюю тепловую энергию движения снимали с тяжёлых ионов магния, однако бериллий, будучи связан с магнием, тоже охлаждался, как выражаются физики, «симпатическим способом».

После этого оставалось сделать финальный трюк – связать спиновое состояние ионов бериллия с механическими колебаниями в паре. Этого учёные также достигли серией лазерных импульсов чётко определённой частоты, интенсивности и продолжительности. Таким образом удалось превратить запутывание спинов в запутанность механических колебаний: состояние всей системы складывается теперь из двух простых состояний: либо это «сильные» колебания в обеих парах, либо «слабые» колебания в обеих парах, да ещё и в унисон в обоих случаях.

И вот теперь, если измерение мощности колебаний в одной из пар даёт результат «сильные», то в «сильные» же мгновенно превращаются и колебания второй пары.

Несмотря на то, что она расположена на вполне макроскопическом — при желании можно разглядеть невооружённым глазом — расстоянии в четверть миллиметра. Правда, успешность опыта учёные проверяли всё же не таким наглядным способом: по истечении 50 микросекунд они переводили запутанность механических колебаний в запутанность спинов и измеряли последнюю по корреляции флуоресцентных фотонов, испущенных ионами бериллия.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "3180132",
    "incutNum": 4,
    "repl": "<4>:{{incut4()}}",
    "uid": "_uid_3206673_i_4"
}

По словам самого Джоста, «никто не знает, где проходит грань между квантовым и классическим миром». Результаты его нынешней работы показывают, что она точно не расположена между спиновыми степенями свободы и классическими механическими колебаниями.

Однако помимо фундаментальных вопросов о границе между классическим и квантовым описанием реальности, новая работа очень важна и с прикладной точки зрения.

В ходе своих экзерсисов учёные, по сути, создали новый способ передачи запутывания между механическими системами на большое (по меркам микромира) расстояние. Это должно пригодиться в разработке квантовых компьютеров.

Хотя ни одного такого прибора, обещающего неизмеримое преимущество в скорости некоторых вычислений, до сих пор не создано, желаемая архитектура этих устройств примерно понятна. Наиболее удобными элементами квантовой памяти кажутся как раз массивные частицы, вроде тех же ионов металлов, а сама информация будет храниться или в виде спина, или в виде колебаний — в том числе, как теперь кажется вполне возможным, механических. «Проводами» же, которые свяжут эту элементную базу, скорее всего, станут кванты света.

Джосту и его коллегам как раз и удалось приготовить запутанные частицы, разнести их на значительное расстояние, охладить до температур, при которых можно исследовать запутывание, и перевести квантовую информацию из одного вида в другой. Их последователям, которые соберут первый квантовый компьютер, не придётся по новой выдумывать около шестисот лазерных импульсов, способных выполнить эту задачу.