Насколько быстро происходит квантовая запутанность?

Квантовая теория описывает события, происходящие в чрезвычайно короткие временные масштабы. В прошлом такие события считались «мгновенными»: электрон вращается вокруг ядра атома — в следующий момент его внезапно вырывает вспышка света. Две частицы сталкиваются — в следующий момент они внезапно «квантово запутываются».

Однако сегодня можно исследовать временное развитие таких почти «мгновенных» эффектов. Совместно с исследовательскими группами из Китая, ученые из Венского технического университета (TU Wien) создали технологию, которую можно использовать для моделирования сверхбыстрых процессов. Она позволяет выяснить, как возникает квантовая запутанность на временной шкале аттосекунд.

Две частицы — один квантовый объект

Если две частицы квантово запутаны, нет смысла описывать их по отдельности. Даже если вы прекрасно знаете состояние этой двухчастичной системы, вы не можете сделать четкое утверждение о состоянии одной частицы. «Можно сказать, что у частиц нет индивидуальных свойств, у них есть только общие свойства. С математической точки зрения они прочно связаны друг с другом, даже если находятся в двух совершенно разных местах», — объясняет профессор Иоахим Бургдёрфер из Института теоретической физики Венского технического университета.

В экспериментах с запутанными квантовыми частицами ученые обычно заинтересованы в сохранении этой квантовой запутанности как можно дольше — например, если они хотят использовать запутанность для квантовой криптографии или квантовых компьютеров.

«Мы, с другой стороны, заинтересованы в другом — в выяснении того, как запутанность развивается в первую очередь и какие физические эффекты играют роль в чрезвычайно коротких временных масштабах».

Один электрон улетает, один остается с атомом

Исследователи рассматривали атомы, которые были поражены чрезвычайно интенсивным и высокочастотным лазерным импульсом. Электрон вырывается из атома и улетает. Если излучение достаточно сильное, возможно, что второй электрон атома также подвергается воздействию: он может быть смещен в состояние с более высокой энергией, а затем вращаться вокруг атомного ядра по другому пути.

Итак, после лазерного импульса один электрон улетает, а один остается с неизвестной энергией. «Мы можем показать, что эти два электрона теперь квантово запутаны», — говорит Йоахим Бургдёрфер. «Вы можете анализировать их только вместе — и вы можете выполнить измерение одного из электронов и одновременно узнать что-то о другом электроне».

Электрон сам не знает, когда он «родился»

Исследовательская группа теперь смогла показать, используя подходящий протокол измерений, который объединяет два разных лазерных луча, что возможно достичь ситуации, в которой «время рождения» улетающего электрона, т. е. момент, когда он покинул атом, связано с состоянием оставшегося электрона. Эти два свойства квантово запутаны.

«Это означает, что время рождения улетающего электрона в принципе неизвестно. Можно сказать, что сам электрон не знает, когда он покинул атом», — говорит Иоахим Бургдёрфер. «Он находится в квантово-физической суперпозиции различных состояний. Он покинул атом как в более ранний, так и в более поздний момент времени».

В какой момент времени это было «на самом деле», ответить невозможно – «фактического» ответа на этот вопрос просто не существует в квантовой физике.

Но ответ квантово-физически связан с состоянием электрона, оставшегося в атоме, которое также не определено: если оставшийся электрон находится в состоянии более высокой энергии, то улетевший электрон, скорее всего, был вырван в ранний момент времени; если оставшийся электрон находится в состоянии более низкой энергии, то «время рождения» свободного электрона, который улетел, скорее всего, было более поздним — в среднем разница около 232 аттосекунд.

Это почти невообразимо короткий период времени: аттосекунда — это миллиардная миллиардной доли секунды. «Однако эти различия можно не только вычислить, но и измерить экспериментально», — говорит Йоахим Бургдёрфер. «Мы уже ведем переговоры с исследовательскими группами, которые хотят доказать такие сверхбыстрые запутывания».

Временная структура «мгновенных» событий

Работа показывает, что недостаточно считать квантовые эффекты «мгновенными»: важные корреляции становятся видимыми только тогда, когда удается разрешить сверхкороткие временные масштабы этих эффектов.

«Электрон не просто выпрыгивает из атома. Это волна, которая выплескивается из атома, так сказать, и это занимает определенное время», — говорят ученые. «Именно во время этой фазы происходит запутывание, эффект которого затем можно точно измерить позже, наблюдая за двумя электронами».