Ученые на пикосекунду "запутали" алмаз

Недавно британским ученым удалось добиться перехода в состояние "квантовой запутанности" системы из двух макрообъектов. Таковыми оказались пластинки, сделанные из алмазов. И хотя это состояние длилось не более нескольких пикосекунд, поэтому тщательно исследовать его не получилось, впервые удалось доказать, что подобное возможно и в макромире.

Фото:

Не секрет, что объекты микромира, или, как говорят специалисты, квантового мира, часто ведут себя по-другому, нежели те, что мы привыкли видеть. Для них характерны некоторые свойства, которые у крупноразмерных объектов не наблюдаются. К таковым относится, например, квантовая запутанность.

Если спросить у физика, изучающего квантовую механику, что это такое, то он ответит примерно следующее: "квантовая запутанность — это такое квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми". Пока вы будете молча пытаться понять, что вам только что хотели сказать, он, возможно объяснит, что при квантовой запутанности в системе, состоящей более чем из двух объектов воздействие на один из них ощущается всеми остальными, вне зависимости от расстояния, на котором они находятся. Понимания такое объяснение также не приносит.

Но не следует обвинять физика в том, что он, пытаясь рассказать вам о запутанности, все окончательно запутал. Дело в том, что данное явление в макромире не встречается, и аналогов, в общем-то, не имеет. Ну, если что совсем уж фантастический пример: представьте себе двух друзей, Петю и Джона (это и есть система из двух элементов). Петя живет в Москве, а Джон — в Нью-Йорке. Как-то раз Петя шел по улице, упал и ушиб коленку. Так вот, о квантовой запутанности можно говорить в том случае, если представить себе, что именно в то же время совершенно аналогичный синяк на коленке появился и у Джона (при этом я имею в виду астрономическое, а не поясное время), который спокойно сидел в своей нью-йоркской квартире перед телевизором.

Итак, как вы понимаете, подобный эффект в макромире возможен, пожалуй,  лишь на страницах произведений фантастов. А вот для микрообъектов такое поведение в порядке вещей. Что бы убедиться в этом, достаточно вспомнить эксперимент группы швейцарских физиков из Университета Женевы в 2008 году, когда им удалось разнести два потока запутанных (то есть составляющих по всем параметрам измерений) фотонов на расстояние 18 километров. Все проводимые измерения показали, что на воздействия, произведенные на одну группу фотонов представители другой группы реагировали точно так же и причем одновременно с первыми.

Летом того же года ученые из австрийского Института квантовой оптики и информации поставили еще более масштабный эксперимент, разнеся потоки запутанных фотонов на 144 километра, между лабораториями на островах Ла Пальма и Тенерифе. И здесь изменения, регистрируемые в обоих группах, были одновременными и аналогичными, то есть возможность квантовой запутанности подтвердилась. Кстати, именно после этих экспериментов многие журналисты написали о том, что физикам удалось провести телепортацию частиц, хотя о той телепортации, о которой пишут фантасты (то есть мгновенного перемещения объекта через пространство или время) речи, конечно же, не шло.

Читайте также: Секрет телепортации раскрыт?

Известны и случаи так называемой "макромикроквантовой" запутанности, то есть о явлении, возникающем в системе из макро- и микрообъекта. В начале нынешнего года группа физиков под Николаса Гизина из Женевского университета "спутали" два фотона весьма интересным образом: один (микрообъект) был отправлен в стандартный детектор, второй "превращен" в поток фотонов с одинаковой поляризацией (то есть уже в макрообъект). Николас и его коллеги сели на место второго детектора фотонов и в ходе опытов провели в темноте несколько долгих часов.Адальше они проверили, насколько хорошо коррелирует поляризация первого фотона и светового потока на выходе. Оказалось, что все параметры данных поляризаций совпали, то есть имела место быть квантовая запутанность.

Итак, как видите, в природе даже такое возможно. Но вот достичь запутанности между двумя макроскопическими системами пока не удавалось. Тем не менее, недавно физики из Кларендонской лаборатории Оксфордского университета сообщили, что им удалось наблюдать это явление, экспериментируя с двумя алмазами.

В данном эксперименте использовались две квадратные алмазные пластинки размером 3×3 миллиметра и толщиной в 0,25 миллиметра. И хоть в таких условиях квантовые эффекты можно наблюдать только на очень коротких отрезках времени, длительностью всего-то в в несколько пикосекунд, этого все равно должно было хватить для того, чтобы зафиксировать результат. На обе пластинки подавалась пара лазерных импульсов. Они имели длительность на уровне половины амплитуды в 60 фс и следовали друг за другом с интервалом всего в 350 фс.

Первый импульс из пары, взаимодействуя с алмазом, создавал так называемый фонон — квазичастицу, представляющую собой квант (то есть минимально поддающуюся измерению величину) всех атомов кристалла. Этот процесс сопровождался испусканием фотона с несколько сниженной энергией (увеличенной длиной волны), который можно было регистрировать.

Кроме того, пepeд aлмaзaми, paзнecенными нa 15 cантиметров, экспериментаторами пoмecтили cвeтoдeлитeль, зa oдним из выxoдoв кoтopoгo былa ycтaнoвлeнa пoлyвoлнoвaя плacтинкa (устройство, изменяющее поворот плоскости поляризации световой волны). В итоге фoтoны co cмeщеннoй в кpacнyю область спектра длинoй вoлны, poждaющиecя пocлe вoзбyждeния фoнoнa, пoпaдaли нa пoляpизaциoнный cвeтoдeлитeль, пoлyвoлнoвyю плacтинкy и втopoй cвeтoдeлитeльный элeмeнт, a зaтeм peгиcтpиpoвaлиcь дeтeктopoм.

Если детектор подтверждал, что на него попадал "красный" фотон, то это говорило о том, что система из двух алмазов пребывает в состоянии запутанности, раз воздействие вызывает одинаковую реакцию во всей системе. Проще говоря, можно было сказать, что два кристалла, разнесенные в пространстве, содержали в себе одно фононное возбуждение, которое распределялось между ними. Для проверки этих данных использовался второй импульс из пары, отстававший на 350 фс: с его приходом фонон с некоторой (правда, весьма небольшой) вероятностью конвертировался в фотон с длиной волны, смещенной в синюю область.

Физики повторили этот эксперимент огромное (1,9•10¹⁴⁾ количество раз и, по их словам, детекторы в ряде случаев сообщили о том, что система из двух кристаллов находилась в запутанном состоянии, то есть алмазы имели "один фонон на двоих". Как и предполагалось, это состояние наблюдалось не более нескольких пикосекунд, а после кристаллы "расцеплялись". Это происходило потому, что полного взаимодействия образцов с окружающей средой исключить все же не удалось.

Читайте также: Путешествия во времени невозможны в принципе

По мнению коллег оксфордских физиков, хотя эксперимент и принес положительные результаты, тем не менее, воплотить подобную схему на практике весьма сложно, да и, в общем-то, незачем. "Использовать запутанное состояние, время жизни которого измеряется единицами пикосекунд, практически невозможно", — так прокомментировал результаты данных опытов сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Эндрю Клелэнд. Хотя сам факт того, что между двумя макрообъектами при определенных условиях может наблюдаться запутанное состояние, весьма порадовал ученых. Получается, что это не является принципиально невозможным. Осталось лишь подобрать такие условия, в которых можно будет тщательнее изучить данный эффект…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"