Нова квантова заплутаність. Як фізики зазирнули у серце атома за допомогою унікального експерименту

Колайдер під Нью-Йорком

Релятивістський колайдер важких іонів (RHIC) у Брукхейвенській лабораторії, розташований у передмісті Нью-Йорка на острові Лонг-Айленд, досліджує різні форми матерії, які існували на ранніх етапах формування Всесвіту.

Ці дослідження проходять так само, як і в європейському Великому адронному колайдері — шляхом прискорення та зіткнення різних часток.

Цього разу фізики-ядерники стикали йони золота. Головним результатом експерименту стало виявлення незвичайної взаємодії йонів, які навіть не стикалися між собою безпосередньо.

Вчені зауважили, що при прискоренні та розташуванні цих часток досить близько навколо них утворюються невеликі хмари фотонів — безмасові частки світла або кванти електромагнітного випромінювання. Як виявилося, аналіз цих фотонів дозволив сфотографувати внутрішню структуру протилежних йонів докладніше, ніж будь-коли до цього.

«Цей метод схожий на те, як лікарі використовують позитронно-емісійну томографію (ПЕТ-сканування), щоб побачити, що відбувається всередині мозку та інших частин тіла. Але в цьому випадку ми говоримо про картування об'єктів у масштабі фемтометрів — квадрильйонних часток метра — розміру окремого протона», — заявив колишній співробітник Брукхейвенської лабораторії Джеймс Деніел Бранденбург.

За словами фізика Чжанбу Сюйя, який також брав участь в експерименті, при взаємодії двох вихідних часток із різними зарядами вчені побачили інтерференційні картини, що підтверджують, що ці частки заплутані або синхронізовані одна з одною.

Бранденбург розповів, що це було «перше в історії експериментальне спостереження квантової заплутаності між різнорідними частками».

Завдяки надзвичайно високій інтенсивності зіткнень важких йонів, фізики змогли «розплавити» окремі протони та нейтрони, витягнувши назовні їхні будівельні блоки — кварки, пов’язані між собою глюонами.

В результаті взаємодії фотонів з глюонами вчені також виявили проміжну частку ро-мезон, яка негайно розпадається на два пі-мезони з протилежними зарядами, відзначеними як π+ і π-. Саме квантова інтерференція, що спостерігається між частками π+ та π-, вперше дозволила дослідникам проаналізувати розподіл глюонів у кількох вимірах усередині атомного ядра.

«Тепер ми можемо отримати зображення, на якому справді можна розрізнити щільність глюонів під певним кутом та радіусом. Зображення настільки чіткі, що ми навіть можемо почати бачити різницю між тим, де знаходяться протони і де розташовані нейтрони у цих великих ядрах», — пояснив Бранденбург.

Подальші експерименти в RHIC дозволять детальніше досліджувати розподіл глюонів всередині атомних ядер, імовірно, виявити інші види квантової заплутаності.

Світ заплутаностей

Примітно, що кілька років тому вчені з Інституту Нільса Бора при університеті Копенгагена також змогли спостерігати незвичайну інтерференцію елементарних частинок.

В рамках експерименту фізики зіштовхували фотони з охолоджених атомних хмар цезію з мембраною з нітриду (з'єднання азоту і металу) завтовшки 13 нанометрів і завдовжки кілька міліметрів.

«Чим більше об'єкти, чим далі вони знаходяться один від одного, — тим цікавішою стає заплутаність як з фундаментальної, так і з прикладної точки зору. Наш експеримент довів, що заплутаність між дуже різними об'єктами можлива», — заявив провідний автор дослідження Юджин Ползік.

Вже на початку жовтня 2022-го Ален Аспект, Джон Клаузер та Антон Цайлінгер отримали Нобелівську премію з фізики за дослідження різних видів та форм квантової заплутаності.

Клаузер провів практичний експеримент, який порушив нерівності Белла: його прилад випускав одночасно два фотони, заплутані між собою.

Неточності цього ексмерименту зміг вирішити Ален Аспект, який змінив налаштування виміру вже після того, як заплутану пару фотонів випустили. Отже, налаштування, що існувало в момент їхнього «зародження» не могло вплинути на остаточний результат вимірювання станів часток.

Антон Цайлінгер, у свою чергу, досліджував та вперше продемонстрував явище квантової телепортації, що дозволяє передавати квантовий стан між заплутаними частинками на відстані.