В течение многих лет было возможно производить запутанные фотоны – пары легких частиц, которые движутся в совершенно разных направлениях, но при этом принадлежат друг другу. Достигнуты впечатляющие результаты, например, в области квантовой телепортации или квантовой криптографии. Теперь в TU Wien (Вена) был разработан новый метод получения пар запутанных атомов – и не только атомов, которые излучаются во всех направлениях, но и четко определенных пучков.
Это было достигнуто с помощью ультрахолодных облаков атомов в электромагнитных ловушках.
Запутанные частицы
«Квантовая запутанность – один из важнейших элементов квантовой физики», – говорит проф. Йорг Шмидмайер из Института атомной и субатомной физики Венского технического университета. "Если частицы сцеплены друг с другом, то даже если вы знаете все, что нужно знать о системе в целом, вы все равно ничего не можете сказать об одной конкретной частице.
Спрашивать о состоянии одной конкретной частицы не имеет смысла, определяется только общее состояние всей системы."
Существуют разные методы создания квантовой запутанности.
Например, специальные кристаллы могут использоваться для создания пар запутанных фотонов: фотон с высокой энергией преобразуется кристаллом в два фотона с более низкой энергией – это называется «понижающим преобразованием»."Это позволяет быстро и легко создавать большое количество запутанных пар фотонов.
Однако запутать атомы гораздо сложнее.
Отдельные атомы можно запутать с помощью сложных лазерных операций, но тогда вы получите только одну пару атомов. Случайные процессы также могут быть использованы для создания квантовой запутанности: если две частицы взаимодействуют друг с другом подходящим образом, они могут впоследствии оказаться запутанными. Молекулы могут расщепляться, образуя запутанные фрагменты.
Но этими методами нельзя управлять. «В этом случае частицы движутся в случайных направлениях. Но когда вы проводите эксперименты, вы хотите иметь возможность точно определять, куда движутся атомы », – говорит Йорг Шмидмайер.
Близнецовая пара
Управляемые пары близнецов теперь могут быть созданы в TU Wien с помощью нового трюка: облако ультрахолодных атомов создается и удерживается на месте с помощью электромагнитных сил на крошечном чипе. «Мы манипулируем этими атомами, чтобы они не попали в состояние с минимально возможной энергией, а в состояние с более высокой энергией», – говорит Шмидмайер. Из этого возбужденного состояния атомы затем спонтанно возвращаются в основное состояние с самой низкой энергией.
Однако электромагнитная ловушка устроена таким образом, что этот возврат в основное состояние физически невозможен для отдельного атома – это нарушило бы сохранение импульса. Следовательно, атомы могут быть переведены в основное состояние только парами и улетать в противоположных направлениях, так что их общий импульс остается равным нулю.
Это создает двойные атомы, которые движутся точно в направлении, заданном геометрией электромагнитной ловушки на чипе.
Двухщелевой эксперимент
Ловушка состоит из двух удлиненных параллельных волноводов. Пара атомов-близнецов могла быть создана в левом или правом волноводе – или, как позволяет квантовая физика, в обоих одновременно. «Это похоже на хорошо известный эксперимент с двумя щелями, в котором вы стреляете частицей в стену с двумя щелями», – говорит Йорг Шмидмайер. "Частица может проходить через левую и правую щели одновременно, за которыми она мешает сама себе, и это создает волновые структуры, которые можно измерить."
Тот же принцип можно использовать, чтобы доказать, что атомы-близнецы действительно являются запутанными частицами: только если вы измеряете всю систему – i.е. оба атома одновременно – можете ли вы обнаружить волновые суперпозиции, характерные для квантовых явлений?. Если же, с другой стороны, ограничиться одной частицей, волновая суперпозиция полностью исчезнет.
«Это показывает нам, что в данном случае нет смысла рассматривать частицы по отдельности», – объясняет Йорг Шмидмайер. "В эксперименте с двойной щелью суперпозиции исчезают, как только вы измеряете, проходит ли частица через левую или правую щель. Как только эта информация становится доступной, квантовая суперпозиция разрушается.
Здесь все очень похоже: если атомы запутаны, и вы измеряете только один из них, вы теоретически все равно можете использовать другой атом, чтобы измерить, произошли ли они оба в левой или правой части ловушки. Следовательно, квантовые суперпозиции разрушаются."
Теперь, когда было доказано, что ультрахолодные атомные облака действительно могут быть использованы для надежного создания таким образом запутанных двойниковых атомов, необходимо провести дальнейшие квантовые эксперименты с этими парами атомов – аналогично тем, которые уже были возможны с фотонными парами.