Физики квантово запутали 15 триллионов атомов в горячем газе

Учёные сломали стереотип, что квантовая запутанность — невероятно хрупкое состояние, которое требует сверхнизких температур и изоляции одиночных атомов. Они создали запутанность в горячем газе из множества частиц и показали, что она не разрушается при их столкновениях. Новый подход может помочь в разработке сверхчувствительных датчиков, которые пригодятся всем, от врачей до астрономов.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Хрупкое квантовое чудо

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что такое квантовая запутанность. Напомним вкратце, что состояния запутанных объектов согласованы между собой, так что, изменив состояние одного, мы можем повлиять на состояние другого (притом что информация между ними не передаётся).

Это явление очень интересует физиков. Хотя теоретически оно было предсказано многие десятилетия назад, экспериментаторы не устают снова и снова проверять, действительно ли природа ведёт себя настолько странно.

В качестве приятного бонуса человечество получает сверхчувствительные сенсоры, которые можно создать с помощью запутанных атомов.

Но есть загвоздка. Обычно считается, что квантовая запутанность — крайне хрупкое состояние, и малейшее воздействие может его разрушить. Поэтому экспериментаторы, как правило, запутывают единицы, десятки или сотни частиц. Чтобы запутанность не исчезла, "связанные одной цепью" объекты сохраняются при чрезвычайно низкой температуре. Поэтому запутанность превращается в крайне дорогое удовольствие.

Многочисленные, горячие, запутанные

Теперь физики из Испании, Венгрии и Китая бросили вызов этим представлениям, продемонстрировав запутанное состояние в горячем газообразном рубидии.

Авторы работали с образцом, содержащим более 50 триллионов атомов. По бытовым меркам это всё ещё глубокий вакуум, ведь в одном литре атмосферного воздуха содержится в миллиарды раз больше молекул. Но всё же этот эксперимент разительно отличается от предыдущих, в которых запутывалось гораздо меньше частиц.

Кроме того, вещество было разогрето до 180 градусов по Цельсию, то есть представляло собой горячий пар. Казалось бы, в таком состоянии ни о какой квантовой запутанности не может быть и речи. Но физики показали, что это не так.

В каждый момент времени около 15 триллионов атомов были запутаны между собой. Это состояние сохранялось около одной миллисекунды. Затем запутанная система распадалась, и возникала новая. При этом запутанные друг с другом атомы не обязательно были соседними: между ними могли находиться тысячи других атомов.

Отметим, что миллисекунда — это огромное по атомным меркам время, за которое каждый атом успевал около 50 раз столкнуться с соседними.

"Это ясно показывает, что запутанность не разрушается этими случайными событиями. Это, пожалуй, самый удивительный результат работы", — признаётся первый автор статьи Цзя Кон (Jia Kong) из Барселонского института науки и технологий.

Физики обнаружили запутанные системы из триллионов атомов в горячем паре рубидия.

Запутались спинами

В чём проявлялась квантовая запутанность атомов рубидия?

В атоме рубидия на внешнем энергетическом уровне находится один электрон. Как известно, у каждого электрона есть спин (момент импульса), имеющий направление. Условно говоря, он может быть направлен вверх или вниз.

Возьмём какой-нибудь конкретный атом и назовём его Васей. Когда Вася сталкивается с каким-нибудь из многочисленных соседей, спин его внешнего электрона может перевернуться (или не перевернуться, это непредсказуемо).

Как же на такой переворот реагируют другие атомы, образующие с Васей дружную запутанную систему? Какой-нибудь из них тут же переворачивает спин своего внешнего электрона в противоположную сторону. И это притом, что этот "переживающий за коллегу" атом сам в этот момент ни с чем не сталкивался.

То есть во всей системе, несмотря на постоянные непредсказуемые столкновения, вверх всегда направлено столько же спинов, сколько и вниз. Это и есть квантовая запутанность: состояния атомов остаются согласованными, хотя они не воздействуют друг на друга.

Экспериментаторы выяснили это, пропуская через рубидиевый пар луч лазера. Энергия фотонов была подобрана так, чтобы они не возбуждали атомов и не разрушали запутанное состояние. Но сами атомы воздействовали на фотоны, и по этому воздействию можно было определить, в какую сторону направлен спин внешних электронов.

Из лаборатории в жизнь

Иметь дело с десятками триллионов атомов при высокой температуре совсем не так дорого, как отбирать отдельные атомы и охлаждать их чуть ли не до абсолютного нуля. Поэтому авторы надеются, что их открытие со временем станет основой для разработки сверхчувствительных сенсоров (в частности, датчиков магнитного поля). Они могут пригодиться в самых разных областях: от медицинского обследования мозга до создания беспилотных автомобилей и детекторов тёмной материи.