Неожиданный поворот в квантовой системе

Физики из ETH Zurich наблюдали удивительный поворот в квантовой системе, вызванный взаимодействием между диссипацией энергии и когерентной квантовой динамикой. Чтобы объяснить это, они нашли конкретную аналогию с механикой.

«Ни один ученый не мыслит в формулах», — якобы однажды сказал Альберт Эйнштейн своему коллеге Леопольду Инфельду. На самом деле, особенно для физиков, которые занимаются такими абстрактными вещами, как квантовая физика, часто очень полезно работать с конкретными изображениями, а не с математическими символами.

Команда исследователей во главе с Тильманом Эсслингером, профессором Института квантовой физики в ETH Zurich, испытала это, когда недавно обнаружила новый эффект в своей квантово-механической системе.

Хотя они изучали крошечные атомы и частицы в своем эксперименте, они смогли лучше понять свои наблюдения через броское изображение: вал, вращающийся внутри подшипника. Их результаты недавно были опубликованы в журнале Science.

Сложная квантовая система

«На самом деле мы вовсе не искали такого эффекта», — говорит Тильман Эсслингер. «Только задним числом мы поняли, что означают наши данные.» Он и его коллеги занялись очень сложной темой: квантовой системой, в которой отдельные частицы взаимодействуют друг с другом и которая одновременно управляется извне и также диссипативна.

«Диссипативное» означает, что квантовые состояния частиц не просто когерентно развиваются во времени — то есть так, что их суперпозиционные состояния остаются неизменными. Скорее, контролируемая связь с внешним миром заставляет состояния суперпозиции постепенно исчезать.

Если диссипация очень сильна, они очень быстро исчезают, и в результате частицы ведут себя почти так же, как в классической физике, которую мы знаем из повседневного опыта. С другой стороны, без всякой диссипации способ эволюции системы частиц во времени диктуется исключительно квантовой механикой — идеальный случай, который используется физиками, например, для создания квантовых компьютеров.

Атомные модели

«Эти две крайности можно вычислить и понять достаточно хорошо», — объясняет Тобиас Доннер, который работает старшим научным сотрудником в лаборатории Эсслингера. «Напротив, гораздо сложнее иметь дело с системами в середине, где когерентная эволюция и диссипация одинаково важны.»

Чтобы построить такую квантовую систему в лаборатории, физики охлаждали атомы до температуры, близкой к абсолютному нулю — около -273 градусов Цельсия, и подвергали их воздействию сфокусированного лазерного луча, который ловит и приводит атомы в движение внутри своего рода решетки, состоящей из света.

Каждый атом также имеет «спин», который может указывать вверх или вниз (подобно стрелке компаса, которая указывает на север или юг). Кроме того, холодные атомы окружены внутри полости двумя зеркалами, которые отражают свет, рассеянный атомами взад и вперед.

Взаимодействие между атомами, лазерным лучом и светом в полости теперь заставляет атомы самопроизвольно выстраиваться в шахматном порядке. Это может произойти двумя разными способами. В одном из них атомы находятся только на «белых» квадратах, тогда как черные квадраты остаются пустыми (см. рисунок).

В другом случае есть также два типа квадратов, красный и зеленый, но теперь красные квадраты заняты только атомами, спины которых направлены вверх, тогда как на зеленых квадратах есть только атомы, спины которых направлены вниз.

Неожиданный поворот

Какой из двух вариантов предпочтут атомы, зависит от направления колебаний лазерного луча, который их облучает, строго по правилам квантовой механики — по крайней мере, если атомы не подвергаются никакой диссипации.

Когда физики проводили эксперимент в режиме, где влияние диссипации (вызванной потерей фотонов из резонатора) было достаточно большим, произошло нечто необычное.

«Наши данные больше не показывали нам ни одного из этих двух паттернов, но скорее казалось, что атомы вращались по этим паттернам снова и снова, с особым чувством вращения», — описывает Эсслингер неожиданные результаты. «Это было потрясающее открытие — но мы совершенно не понимали, почему оно происходит.»

Необычная сила

Упростив квантово-механические уравнения, описывающие их эксперимент, физики в конце концов смогли обнаружить аналогию с механической системой. На самом деле эти формулы поразительно напоминали формулы, описывающие вращение вала внутри подшипника.

Между валом и подшипником находится вязкая смазка, которая должна обеспечивать равномерное вращение. Однако, если вал немного отодвигается от центра подшипника, возникает довольно необычный вид силы трения, которая зависит от положения вала.

Сила возникает потому, что в одном направлении расстояние между вращающимся валом и неподвижным подшипником уменьшается, и поэтому на вал и подшипник действуют различные силы трения. Результирующая позиционно-зависимая сила перпендикулярна направлению движения вала. Как следствие, центр вала начинает вращаться по спирали вокруг центра подшипника.

Теперь, когда физики могут описать неожиданный квантовый эффект конкретным образом, они уже думают о следующем шаге: использовать его для того, чтобы сознательно влиять на квантовые системы и управлять ими.

«Обычно диссипация изменяет или ослабляет существующие квантовые эффекты — но здесь мы имеем эффект, который фактически обязан своим существованием диссипации», — говорит Тильман Эсслингер.

Таким образом, вопрос о том, могут ли подобные эффекты быть более широко распространены в квантовых системах и как они могут быть использованы в разрабатываемых в настоящее время квантовых технологиях, в настоящее время находится в поле зрения исследователей.

Dissipation-induced structural instability and chiral dynamics in a quantum gas. Science, Vol. 366, Issue 6472, pp. 1496-1499 (2019) DOI: 10.1126/science.aaw4465