Механику запутали на четверть миллиметра

Физики квантово запутали механические колебания

J.Jost/J.Amini
Физикам удалось квантовым образом запутать механические колебания двух систем. Где проходит граница между классическим и квантовым описанием мира, и есть ли она вообще, стало совсем непонятно. Зато методы, которые при этом использовались, пригодятся в создании квантовых компьютеров.

Изобретатель знаменитого кота и один из отцов квантовой механики Эрвин Шрёдингер считал явление квантовой запутанности штукой ещё более удивительной, чем способность элементарных частиц быть одновременно в двух местах или двигаться сразу в нескольких направлениях. Запутанные частицы, разнеси их хоть на километры, каким-то образом «чувствуют» друг друга, и изменение состояния одной мгновенно сказывается на состоянии другой. Это-то и поражает — если, конечно, рассматривать их, как две частицы, а не единую систему.

Собственно, именно со Шрёдингера начались исследования запутанности: он первым привлёк внимание к тому факту, что система из двух и более квантовых объектов может оказаться в состоянии, которому не соответствует никакое из состояний составляющих её частей по отдельности. По словам самого австрийского физика, это «нельзя назвать иначе, как полный отход от классического мышления».

Однако активная работа и понимание важности запутывания начали развиваться лишь с 1980-х годов, когда экспериментаторы на опыте проверили выполнение неравенства Белла и выяснили, что запутанность нельзя заменить никакими сколь угодно сложными изысками классической физики. Примерно в то же время теоретики начали придумывать запутанности разнообразные приложения, и к настоящему времени их список включает квантовую телепортацию, квантовую криптографию и, во многом, квантовые вычисления.

Тем не менее до сих пор физики ограничивались лишь запутыванием сугубо квантовых свойств частиц, не проявляющихся в классическом мире, например, спинов — внутренних моментов вращения квантовых частиц. Обычно про спин говорят, что он может быть направлен вверх или вниз, хотя со знакомыми нам вертикальными направлениями эта квантовая эзотерика имеет мало общего.

И хотя принципиальных отличий в описании запутывания спина от запутывания, скажем, энергии не существует, у скептиков оставалась лазейка. Может быть, запутывание, которое Эйнштейн презрительно назвал «призрачным дальнодействием», может касаться лишь сугубо квантовых величин, не имеющих классических аналогов? Ведь даже сам Шрёдингер считал, что в природе должен существовать какой-то закон, который не позволит запутанности проявляться в классическом мире. Тем не менее он не был прав.

Сегодня запутывание стало чуть ближе к знакомой нам реальности: физики из Национального института стандартов и технологий США под руководством аспиранта Университета Колорадо Джона Джоста смогли запутать механические колебания двух пар ионов.

Работа Джоста и его коллег опубликована в последнем номере Nature.

Учёные поместили два иона бериллия 9Be+ друг рядом с другом в специальную электромагнитную ловушку и для начала с помощью серии лазерных импульсов запутали как раз спиновые состояния двух ионов. То есть спины каждой из частиц по отдельности оставались неопределёнными, а вся система в целом состояла из равной смеси двух состояний, допускающих классическую интерпретацию – спин первой частицы вверх, а второй вниз и первой частицы вниз, а второй вверх.



Фотография электромагнитной ловушки, в которой удерживались запутанные механические осцилляторы из ионов бериллия и магния в ходе эксперимента. // J.Jost

Фотография электромагнитной ловушки, в которой удерживались запутанные механические осцилляторы из ионов бериллия и магния в ходе эксперимента. // J.Jost

После этого физики засунули между двумя ионами бериллия пару других ионов – магния 24Mg+, и с помощью электрического поля развели пары Be--Mg на расстояние в четверть миллиметра (точнее, 240 мкм). Обе пары за счёт электрического притяжения и отталкивания колеблются вокруг общего центра масс, как будто соединённые крохотной пружинкой длиной всего в 4 микрона. Потревоженные перемещением частицы по отдельности вновь охладили до низкой температуры с помощью лазера; при этом лишнюю тепловую энергию движения снимали с тяжёлых ионов магния, однако бериллий, будучи связан с магнием, тоже охлаждался, как выражаются физики, «симпатическим способом».


После этого оставалось сделать финальный трюк – связать спиновое состояние ионов бериллия с механическими колебаниями в паре. Этого учёные также достигли серией лазерных импульсов чётко определённой частоты, интенсивности и продолжительности. Таким образом удалось превратить запутывание спинов в запутанность механических колебаний: состояние всей системы складывается теперь из двух простых состояний: либо это «сильные» колебания в обеих парах, либо «слабые» колебания в обеих парах, да ещё и в унисон в обоих случаях.

И вот теперь, если измерение мощности колебаний в одной из пар даёт результат «сильные», то в «сильные» же мгновенно превращаются и колебания второй пары.

Несмотря на то, что она расположена на вполне макроскопическом — при желании можно разглядеть невооружённым глазом — расстоянии в четверть миллиметра. Правда, успешность опыта учёные проверяли всё же не таким наглядным способом: по истечении 50 микросекунд они переводили запутанность механических колебаний в запутанность спинов и измеряли последнюю по корреляции флуоресцентных фотонов, испущенных ионами бериллия.

По словам самого Джоста, «никто не знает, где проходит грань между квантовым и классическим миром». Результаты его нынешней работы показывают, что она точно не расположена между спиновыми степенями свободы и классическими механическими колебаниями.

Однако помимо фундаментальных вопросов о границе между классическим и квантовым описанием реальности, новая работа очень важна и с прикладной точки зрения.

В ходе своих экзерсисов учёные, по сути, создали новый способ передачи запутывания между механическими системами на большое (по меркам микромира) расстояние. Это должно пригодиться в разработке квантовых компьютеров.

Хотя ни одного такого прибора, обещающего неизмеримое преимущество в скорости некоторых вычислений, до сих пор не создано, желаемая архитектура этих устройств примерно понятна. Наиболее удобными элементами квантовой памяти кажутся как раз массивные частицы, вроде тех же ионов металлов, а сама информация будет храниться или в виде спина, или в виде колебаний — в том числе, как теперь кажется вполне возможным, механических. «Проводами» же, которые свяжут эту элементную базу, скорее всего, станут кванты света.

Джосту и его коллегам как раз и удалось приготовить запутанные частицы, разнести их на значительное расстояние, охладить до температур, при которых можно исследовать запутывание, и перевести квантовую информацию из одного вида в другой. Их последователям, которые соберут первый квантовый компьютер, не придётся по новой выдумывать около шестисот лазерных импульсов, способных выполнить эту задачу.