Новая квантовая запутанность. Как физики заглянули в сердце атома с помощью уникального эксперимента
Научпоп12 января 2023, 20:02
Привычные нам законы физики перестают работать на уровне элементарных частиц, в основе взаимодействия которых лежат ключевые принципы квантовой механики.
Один из них — квантовая запутанность. Так называют явление в теоретической физике, описывающее взаимозависимость квантовых состояний частиц на любых расстояниях.
Проще говоря, частицы в состоянии квантовой запутанности формируют единое целое и влияют друг на друга вне зависимости от расстояния между ними. Это явление лежит в основе квантовых вычислений и мысленного эксперимента с котом Шредингера.
Однако, ученые только исследуют природу «запутанности» и пытаются понять, в каких условиях этот эффект проявляется лучше всего.
Недавно физики из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США опубликовали результаты исследования с замысловатым названием «Томография ультрарелятивистских ядер с поляризованными фотон-глюонными столкновениями».
Авторы эксперимента смогли заглянуть внутрь атомных ядер более подробно, чем когда-либо прежде, благодаря новому виду квантовой запутанности.
Подпишитесь на NV Премиум и читайте без ограничений
Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой
Коллайдер под Нью-Йорком
Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской лаборатории, расположенный в пригороде Нью-Йорка на острове Лонг-Айленд, исследует разные формы материи, которые существовали на ранних этапах формирования Вселенной.
Эти исследования проходят так же, как и в европейском Большом адронном коллайдере, — путем ускорения и столкновения разных частиц.
В этот раз физики-ядерщики сталкивали ионы золота. Главным результатом эксперимента стало обнаружение необычного взаимодействия ионов, которые даже не сталкивались друг с другом непосредственно.
Ученые заметили, что при ускорении и расположении этих частиц достаточно близко вокруг них образуются небольшие облака фотонов, — безмассовые частицы света или кванты электромагнитного излучения. Как оказалось, анализ этих фотонов позволил запечатлеть внутренню структуру противоположных ионов более подробно, чем когда либо до этого.
«Этот метод похож на то, как врачи используют позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ-сканирование), чтобы увидеть, что происходит внутри мозга и других частей тела. Но в данном случае мы говорим о картировании объектов в масштабе фемтометров — квадриллионных долей метра — размера отдельного протона», — заявил бывший сотрудник Брукхейвенской лаборатории Джеймс Дэниел Бранденбург.
По словам физика Чжанбу Сюйя, который также участвовал в эксперименте, при взаимодействии двух исходящих частиц с разными зарядами ученые увидели интерференционные картины, подтверждающие, что эти частицы запутаны или синхронизированы друг с другом.
Бранденбург рассказал, что это было «первое в истории экспериментальное наблюдение квантовой запутанности между разнородными частицами».
Благодаря чрезвычайно высокой интенсивности столкновений тяжелых ионов, физики смогли «расплавить» отдельные протоны и нейтроны, вытащив наружу их строительные блоки — кварки, связанные между собой глюонами.
В результате взаимодействия фотонов с глюонами ученые также обнаружили промежуточную частицу ро-мезон, которая немедленно распадается на два пи-мезона с противоположными зарядами, отмеченными как π+ и π-. Именно квантовая интерференция, наблюдаемая между частицами π+ и π-, впервые позволила исследователям проанализировать распределение глюонов в нескольких измерениях внутри атомного ядра.
«Теперь мы можем получить изображение, на котором действительно можно различить плотность глюонов под определенным углом и радиусом. Изображения настолько четкие, что мы даже можем начать видеть разницу между тем, где находятся протоны и где расположены нейтроны в этих больших ядрах», — объяснил Бранденбург.
Дальнейшие эксперименты в RHIC позволят более детально исследовать распределение глюонов внутри атомных ядер, вероятно, обнаружить другие виды квантовой запутанности.
Мир запутанностей
Примечательно, что несколько лет назад ученые из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете также смогли наблюдать необычную интерференцию элементарных частиц.
В рамках эксперимента физики сталкивалавали фотоны из охлажденных атомных облаков цезия с мембраной из нитрида (соединение азота и металла) толщиной в 13 нанометров и длиной в несколько миллиметров.
«Чем больше объекты, чем дальше друг от друга они находятся, — тем более интересной становится запутанность как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Наш эксперимент доказал, пчто запутанность между очень разными объектами возможна», — заявил ведущий автор исследования Юджин Ползик.
Уже в начале октября 2022-го Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер получили Нобелевскую премию по физике за исследования разных видов и форм квантовой запутанности.
Клаузер провел практический эксперимент, который нарушил неравенства Белла: его прибор испускал одновременно два фотона, запутанных между собой.
Неточности этого эксмеримента смог решить Ален Аспект, который изменил настройки измерения уже после того, как запутанная пара фотонов была выпущена. Таким образом настройка, существовавшая в момент их «зарождения» не могла повлиять на окончательный результат измерения состояний частиц.
Антон Цайлингер, в свою очередь, исследовал и впервые продемонстрировал явление квантовой телепортации, позволяющее передавать квантовое состояние между запутанными частицами на расстоянии.