Квантовомеханический парадокс в многоатомной системе

Физики из Базельского университета впервые наблюдали квантовомеханический парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена в системе из нескольких сотен взаимодействующих атомов.

Этот феномен восходит к известному мыслительному эксперименту с 1935 года. Он позволяет точно прогнозировать результаты измерений и может использоваться в новых типах датчиков и методах визуализации для электромагнитных полей. Выводы были недавно опубликованы в журнале Science.

Как точно мы можем предсказать результаты измерений на физической системе? В мире маленьких частиц, который регулируется законами квантовой физики, существует фундаментальный предел точности таких предсказаний.

Этот предел выражается принципом неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что невозможно одновременно предсказать измерения положения и импульса частицы или двух компонентов спина с произвольной точностью.

Парадоксальное снижение неопределенности

Однако в 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен опубликовали знаменитую статью, в которой они показали, что при определенных обстоятельствах предсказание теоретически возможно. Для этого они рассматривали две системы А и В в так называемом «запутанном» состоянии, в котором их свойства сильно коррелированы.

В этом случае результаты измерений в системе А могут быть использованы для прогнозирования результатов соответствующих измерений на системе В с произвольной точностью. Это возможно, даже если системы A и B пространственно разделены. Парадокс заключается в том, что наблюдатель может использовать измерения в системе A для более точных утверждений о системе B, чем наблюдатель, который имеет прямой доступ к системе B (но не к A).

Первое наблюдение в многочастичной системе

В прошлом экспериментаторы использовали свет или отдельные атомы для изучения парадокса ЭПР, который берет свои инициалы у ученых, которые его обнаружили. Теперь группа физиков, возглавляемая профессором Филиппом Третлейном из Отделения физики в Базельском университете и Швейцарском институтом нанонауки (SNI), успешно наблюдала парадокс ЭПР с использованием многочастичной системы из нескольких сотен взаимодействующих атомов в первый раз.

В эксперименте использовались лазеры для охлаждения атомов до нескольких миллиардов долей градуса выше абсолютного нуля. При этих температурах атомы ведут себя полностью в соответствии с законами квантовой механики и образуют то, что известно как конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние материи, предсказанное Эйнштейном в другой новаторской статье в 1925 году. В этом ультрахолодном облаке атомы постоянно сталкиваются друг с другом, заставляя других вращаться.

Затем исследователи провели измерения спина в пространственно разделенных областях конденсата. Благодаря высокоуровневой визуализации они смогли непосредственно измерить спиновые корреляции между отдельными областями и в то же время локализовать атомы в точно определенных положениях. С их экспериментом исследователям удалось использовать измерения в данной области для прогнозирования результатов для другой системы.

«Результаты измерений в двух системах были настолько сильно коррелированы, что позволили нам продемонстрировать парадокс ЭПР», — говорит доктор философии Маттео Фадель, ведущий автор исследования. «Удивительно наблюдать такое фундаментальное явление квантовой физики во все больших системах. В то же время наши эксперименты устанавливают связь между двумя важнейшими работами Эйнштейна».

На пути к квантовой технологии

В дополнение к своим фундаментальным исследованиям ученые уже размышляют о возможных приложениях для их открытия. Например, корреляции, лежащие в основе парадокса ЭПР, могут быть использованы для улучшения атомных датчиков и методов визуализации электромагнитных полей. Развитие квантовых датчиков такого типа является одной из целей Национального центра компетенции в области квантовой науки и технологии исследований (NCCR QSIT), в работе которого активно участвует команда ученых.

Больше информации: Matteo Fadel et al, Spatial entanglement patterns and Einstein-Podolsky-Rosen steering in Bose-Einstein condensates, Science (2018). DOI: 10.1126/science.aao1850