«Призрачное действие» становится реальностью: физики впервые увидели квантовую запутанность в движении атомов

Впервые в истории учёные наблюдали квантовую запутанность в том, как атомы физически движутся — это открытие делает явление, которое Альберт Эйнштейн однажды назвал «призрачным действием на расстоянии», ещё более осязаемой реальностью.

В новом исследовании, опубликованном в журнане Nature Communications, исследователи продемонстрировали, что пары сверхохлаждённых атомов гелия могут быть квантово-механически связаны через свой импульс — меру того, насколько быстро и в каком направлении движется частица, с учётом её массы.

Квантовая запутанность — одна из самых странных особенностей квантовой механики. Когда две частицы запутаны, измерение состояния одной мгновенно влияет на другую. Учёные демонстрировали это раньше на фотонах (частицах света) и на внутренних спиновых состояниях атомов, но никогда — на движении частиц, обладающих массой. Это важно, потому что атомы имеют массу, а масса реагирует на гравитацию; фотоны — нет. Запутанные по импульсу атомы однажды смогут стать основой для квантовых датчиков, достаточно точных, чтобы обнаруживать рябь пространства-времени — гравитационные волны — или картировать недра Земли.

Как поймали запутанность за руку

Сначала команда выбрала гелий, потому что он может находиться в долгоживущем возбуждённом состоянии с временем жизни около двух часов — что является «практически бесконечностью» для экспериментов, которые длятся всего 20–30 секунд, рассказал Live Science Шон Ходжман, физик-экспериментатор из Австралийского национального университета и старший автор исследования. Эта внутренняя энергия означает, что каждый атом попадает в детектор с достаточной силой, чтобы зарегистрироваться индивидуально. Это позволяет команде восстанавливать полный трёхмерный импульс облака с разрешением до одного атома.

Чтобы создать пары атомов, запутанных по импульсу, команда начала с облака гелия, охлаждённого до температуры, близкой к абсолютному нулю. Обычно атомы носятся независимо. Но если охладить их достаточно, они замедляются почти до полной остановки. Их квантовые идентичности размываются и сливаются в единый коллективный объект, называемый конденсатом Бозе — Эйнштейна.

Затем с помощью настроенных лазерных импульсов они разделили этот конденсат на три группы: одну, направленную вверх, одну — вниз и одну оставленную неподвижной. Когда движущиеся облака проходили через неподвижное, пары атомов сталкивались и разлетались в противоположных направлениях, образуя сферические оболочки из коррелированных пар. Физики называют это «гало рассеяния». При достаточно низкой плотности на один экспериментальный выстрел рассеивается только одна пара. «У вас либо есть пара в одной позиции, либо пара в другой, — говорит Ходжман. — Ваше запутанное состояние — это суперпозиция обеих возможностей».

Чтобы доказать, что запутанность реальна, команда использовала устройство, называемое интерферометром Рарити — Тапстера. Этот метод, впервые продемонстрированный на фотонах в 1990 году, теперь был впервые применён к волнам материи.

«Атомы разлетаются, затем вы отражаете их обратно на самих себя и заставляете интерферировать вместе, — объяснил Ходжман. — Интерференция возникает только в том случае, если атом действительно находится в суперпозиции обоих состояний». Корреляции, которые измерила команда, невозможно объяснить никакой классической теорией.

Чтобы получить окончательный результат, команда собирала данные непрерывно в течение почти месяца, а на одну только настройку эксперимента ушло от одного месяца до года.

«Это была своего рода долгосрочная цель нашей лаборатории, наверное, лет 20, — сказал Ходжман. — Наконец продемонстрировать это — огромное волнение».

Сюрреалистическая победа квантовой механики

Результат, хотя и захватывающий, в основном служит подтверждением «учебных» физических теорий, добавил Ходжман. Квантовая механика предсказывает именно такое поведение, но это не делает его менее ошеломляющим.

«Наш мозг не очень-то приспособлен для обработки этого, — добавил Ходжман. — В малых масштабах атомы выглядят размытыми, а не как конкретные шарики. И это кажется очень-очень странным».

Команда уже работает над более сильной версией теста. Но эксперимент, который Ходжман описывает как самый важный следующий шаг, включает столкновение двух изотопов гелия — гелия-3 и гелия-4, которые являются фундаментально разными типами частиц — для создания пар, запутанных одновременно и по импульсу, и по массе.

«С точки зрения квантовой гравитации, как вы вообще запишете гравитационное описание такого состояния? — сказал Ходжман. — Его невозможно описать в рамках общей теории относительности. Такие состояния станут настоящим вызовом для теорий квантовой гравитации».

Это открытие — не просто ещё одна галочка в списке квантовых странностей. Оно знаменует переход от «игрушек» (фотоны не имеют массы, с ними легко работать) к реальному миру массы и гравитации. Почему это так важно? Потому что гравитация — единственное из четырёх фундаментальных взаимодействий, которое до сих пор не вписано в квантовую картину мира. Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как искривление пространства-времени, но она классическая, не квантовая. Квантовая механика, в свою очередь, блестяще работает с тремя другими силами (электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия), но не включает гравитацию.

Парадокс в том, что сами атомы гелия — частицы массивные и, значит, должны создавать гравитацию. Но их гравитационное поле настолько слабо, что его невозможно измерить существующими приборами. Запутанные по импульсу и (в будущем) по массе пары могут стать тем самым «квантовым зондом», который впервые позволит увидеть, как гравитация ведёт себя на микроуровне. Представьте себе: два атома, разнесённые в пространстве, но связанные так, что изменение импульса одного мгновенно меняет импульс другого — и эта связь передаётся через гравитацию. Теории квантовой гравитации (петлевая, струнная и другие) дают разные предсказания для такого сценария. Эксперимент Ходжмана может стать первым, кто отсеет неправильные модели.

Практическое применение тоже не за горами. Квантовые датчики на основе запутанных по импульсу атомов будут в тысячи раз точнее современных. С их помощью можно будет:

• Детектировать гравитационные волны от слияния сверхмассивных чёрных дыр, которые недоступны нынешним LIGO и Virgo (они чувствительны к высокочастотным волнам).

• Создать гравитационный аналог GPS: вместо времени измерять гравитационное поле Земли с точностью до сантиметра, что даст карту подземных пустот, месторождений и даже движения магмы.

• Проверять принцип эквивалентности (ускорение свободного падения не зависит от массы) в квантовом режиме — возможно, он нарушается, и тогда физику ждёт революция.

Но есть и философский аспект. Эйнштейн называл запутанность «призрачным действием на расстоянии», потому что она противоречила его представлению о локальном реализме: никакое влияние не может распространяться быстрее скорости света. Однако многочисленные эксперименты (начиная с работ Алена Аспе в 1980-х) подтвердили: запутанность реальна. Теперь мы видим её не у «безмассовых призраков»-фотонов, а у вполне себе материальных атомов. «Призрак» обрёл плоть.

Что дальше? Команда Ходжмана уже готовит следующий этап: запутанность между разными изотопами гелия. Если успех повторится, это откроет дорогу к созданию «квантового миксера» — состояний, где смешаны частицы с разной массой. Такие состояния — идеальная среда для проверки теорий, которые пытаются объединить квантовую механику и гравитацию. Возможно, именно они станут ключом к «теории всего».

Но не стоит ждать мгновенных прорывов. Как признаётся сам Ходжман, его лаборатория шла к этому результату 20 лет. И это при том, что сам эксперимент длился месяц, а настройка — год. Квантовая физика не терпит спешки. Зато когда она что-то доказывает, то навсегда. Призрак больше не призрак — он такая же реальность, как падающее яблоко. Просто мы раньше не умели его видеть.