287
Фізики Австралійського національного університету вперше в світі спостерігали квантову заплутаність у парах масивних атомів, що рухаються, — явище, яке Альберт Ейнштейн понад 90 років тому відкинув як «моторошну дію на відстані». Про відкриття, опубліковане в Nature Communications, повідомляє ANU Reporter. Цей результат не лише підтверджує передбачення квантової механіки вікової давності, але й відкриває принципово новий шлях до одного з найбільших невирішених питань фізики: як пов’язати між собою квантовий мікросвіт і гравітацію.
Що відомо коротко
- Вчені використали атоми метастабільного гелію (⁴He*), охолоджені до конденсату Бозе-Ейнштейна, і зіткнули два таких конденсати між собою.
- У результаті зіткнення утворились пари заплутаних атомів із протилежними імпульсами — по суті, кожен атом пари одночасно перебував у двох різних рухових станах.
- Використовуючи інтерферометр типу Рарітті-Тапстера, команда зафіксувала нелокальні кореляції між атомами, що порушують нерівність Белла зі статистичною значущістю ~3,9 сигма.
- Це перша в світі демонстрація подібного ефекту для зовнішніх, рухових ступенів свободи масивних частинок — попередні досліди працювали лише зі спіном або поляризацією.
- Відкриття відкриває шлях до експериментальної перевірки теорій, що намагаються примирити квантову механіку з загальною теорією відносності.
Що таке квантова заплутаність
Квантова заплутаність — це стан, за якого дві частинки пов’язані між собою таким чином, що вимірювання однієї миттєво «визначає» стан іншої, незалежно від відстані між ними. Для класичної фізики це звучить неможливо: інформація не може передаватись швидше за світло. Саме тому Ейнштейн і називав цей ефект «моторошним» — він суперечив його інтуїції щодо того, якою має бути реальність.
Квантова механіка, однак, передбачає заплутаність як цілком нормальне явище, підтверджуючи це через нерівність Белла: якщо частинки справді заплутані, вимірювання їх кореляцій дасть результати, несумісні з будь-якою «класичною» теорією прихованих змінних. До цього часу нерівність Белла порушувалась лише для фотонів (частинок без маси) та для внутрішніх квантових станів атомів — спіну або поляризації. Австралійське дослідження зробило це вперше для руху масивних частинок.
Деталі дослідження
Робота команди на чолі з доктором Шоном Ходжманом та аспірантом Йоґешем Шрідхаром з Дослідницької школи фізики ANU зайняла роки. Ключовий матеріал — метастабільні атоми гелію (⁴He*) — охолоджувався до конденсату Бозе-Ейнштейна: стану, за якого атоми втрачають індивідуальність і ведуть себе як єдина квантова хвиля. Потім два таких конденсати розганялись назустріч один одному за допомогою лазерних імпульсів.
Коли конденсати стикались, деякі атоми розсіювалися, утворюючи пари з протилежними імпульсами — механізм, аналогічний процесу спонтанного параметричного підсилення у квантовій оптиці, де заплутані пари фотонів генеруються у нелінійних кристалах. Далі команда застосовувала серію лазерних імпульсів у вигляді інтерферометра Рарітті-Тапстера, щоб скерувати ці атоми через дві окремі «руки» і зафіксувати залежні від фази кореляції між ними. Детектування відбувалось за допомогою мікроканальної пластини через 0,416 секунди вільного падіння атомів — і давало тривимірне роздільне зображення аж до окремих атомів.
«Нам справді важко уявити, що саме так влаштований Всесвіт, — каже доктор Шон Ходжман. — Про це можна прочитати в підручнику, але дійсно дивно усвідомлювати, що частинка може одночасно перебувати в двох місцях».
Що показали нові спостереження
Команда зафіксувала чіткі нелокальні кореляції між атомами — саме ті, які неможливі в жодній класичній теорії з прихованими змінними. Амплітуда корреляційної функції Белла склала A = 0,86(3), що значно перевищує пороговий рівень 1/√2, необхідний для порушення нерівності. Максимальне порушення «нерівності керування» досягло значення 1,752 ± 0,085, що перевищує теоретичну межу √2 ≈ 1,414 із впевненістю ~3,9 стандартних відхилень.
Попередні спроби зробити щось подібне раніше не вдавалися. У 2022 році та сама команда ANU продемонструвала інтерферометр типу Рарітті-Тапстера для атомів, але тоді не вдалося досягти достатньої контрастності для демонстрації нелокальності. Цього разу ключову роль відіграли технічні вдосконалення: підвищення квантової ефективності детекторів, стабілізація частоти лазерів і звуження вікна детектування до ±4° навколо «екватора» розсіяних атомів.
«Експериментально це надзвичайно складно довести, — пояснює провідний автор Йоґеш Шрідхар. — Багато людей намагалися в минулому, і у всіх не виходило».
Чому це важливо для науки
Значення відкриття виходить далеко за межі самого факту підтвердження квантової теорії. Ключова відмінність від попередніх дослідів — атоми мають масу і відчувають гравітацію. Заплутані фотони у порівнянні з ними є «безвагими» об’єктами, нечутливими до гравітаційних ефектів. Масивні заплутані частинки відкривають принципово нові можливості для тестування теорій, що намагаються об’єднати квантову механіку з гравітацією — «Теорію всього», яку шукають фізики вже понад сто років.
Зокрема, нова платформа дозволить перевірити ідею Роджера Пенроуза про те, що гравітація відіграє роль у «колапсі» квантового стану — момент, коли невизначеність переходить у конкретний вимірюваний результат. Ця ідея досі залишається суто теоретичною, бо не було відповідних масивних квантових об’єктів у контрольованих умовах. Крім того, команда зазначає перспективи застосування для квантового сенсингу, атомної інтерферометрії та квантових обчислень. А у майбутньому — можливість заплутати атоми різних ізотопів гелію (³He* і ⁴He*) для тестування принципу еквівалентності в квантовому режимі.
Цікаві факти
- Нерівність Белла була сформульована Джоном Белом у 1964 році як математичний спосіб перевірити, чи існують «приховані змінні», які пояснювали б квантові корелянції класично. Перший реальний її дослід провів Ален Аспе у 1981–1982 роках — роботу, яка привела до Нобелівської премії з фізики 2022 року.
- Конденсат Бозе-Ейнштейна — стан речовини, передбачений теоретично Бозе і Ейнштейном у 1924–1925 роках, але вперше реалізований у лабораторії лише у 1995 році. За це відкриття Ерік Корнелл, Карл Вімен і Вольфганг Кеттерле отримали Нобелівську премію 2001 року.
- Метастабільний гелій ⁴He*, використаний у цьому досліді, зберігає у збудженому стані приблизно 19,8 еВ внутрішньої енергії — в тисячі разів більше, ніж звичайний гелій. Саме ця енергія дозволяє детектувати кожен окремий атом при ударі об металеву пластину, що критично важливо для одноатомної точності вимірювань. Про це докладно пишуть у Nature Communications.
- Для порівняння масштабів: температура конденсату в досліді складала близько мікрокельвіна (мільйонної долі градуса вище абсолютного нуля). Це холодніше за середню температуру у відкритому космосі майже в 3 рази.
FAQ
Що означає «атом одночасно в двох місцях»? Це не метафора і не помилка. У квантовій механіці частинка може перебувати в суперпозиції двох станів одночасно — наприклад, рухатись одночасно ліворуч і праворуч. Лише в момент вимірювання система «вибирає» один конкретний стан. Для пари заплутаних атомів цей вибір відбувається миттєво і злагоджено для обох, незалежно від відстані.
Чим відрізняється цей дослід від попередніх? Попередні порушення нерівності Белла спостерігались для фотонів (частинок без маси) або для внутрішніх станів атомів, таких як спін. Австралійський дослід — перший, де нелокальна квантова заплутаність зафіксована у зовнішньому, руховому стані масивних частинок. Саме маса й гравітаційна чутливість роблять цей результат унікальним.
Яке практичне значення цього відкриття? У короткостроковій перспективі — нові методи надточного квантового сенсингу та атомної інтерферометрії. У довгостроковій — можливість нарешті перевірити теорії квантової гравітації в лабораторних умовах і просунутись до створення «Теорії всього».
WOW-факт: Два атоми гелію в цьому досліді після зіткнення залишались квантово заплутаними настільки, що вимірювання одного миттєво «повідомляло» другому про свій стан — хоча за час падіння до детектора (0,416 секунди) вони встигали розлетітись на відстань, яку класична фізика вважала б цілком незалежною. Ейнштейн не вірив, що таке можливо. 2026 рік довів, що він помилявся.
Фізики вперше спостерігали пари атомів одночасно в двох місцях з’явилася спочатку на Цікавості.
