Физики впервые запутали движение атомов: изменит ли это понимание квантовой гравитации?

На протяжении последних пятидесяти лет квантовая механика раз за разом доказывала свою правоту в споре с классической физикой. Эксперименты подтверждали существование квантовой запутанности — явления, при котором характеристики двух частиц оказываются математически связаны так сильно, что измерение состояния одной мгновенно определяет состояние другой, вне зависимости от расстояния между ними. Однако до недавнего времени эти проверки имели существенное ограничение.

Исторически физики работали либо с безмассовыми частицами — фотонами, измеряя их поляризацию, либо с внутренними квантовыми свойствами материи — например, спинами электронов или атомов. Спин или поляризация — это абстрактные, сугубо квантовые характеристики, не имеющие прямых аналогов в повседневном макроскопическом мире. Настоящим вызовом для фундаментальной науки оставалась задача запутать массивные частицы не по их скрытым внутренним состояниям, а по их физическому движению в пространстве: вектору скорости и направлению полета.

Группа исследователей из Австралийского национального университета совершила важный прорыв в этом направлении. В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, они описывают первый успешный эксперимент по созданию и измерению строгих нелокальных корреляций в импульсе тяжелых частиц. Ученые доказали, что пространственные траектории атомов гелия могут находиться в состоянии квантовой запутанности. Этот результат выводит экспериментальную физику на новый уровень, открывая путь к прямому тестированию взаимодействия квантовой механики и гравитации.

Проблема скрытых параметров и неравенства Белла

Чтобы понять масштаб достижения, необходимо обратиться к проблеме, сформулированной еще Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1935 году. Они отказывались верить в квантовую нелокальность, предполагая, что физический мир устроен рационально. Согласно их логике, если две частицы разлетаются и демонстрируют связанные свойства, это означает лишь то, что эти свойства были заложены в них изначально, в момент контакта. Эйнштейн называл это теорией «скрытых параметров».

В 1964 году ирландский физик Джон Белл предложил математический метод проверки этой гипотезы. Он вывел систему неравенств. Если при многократном измерении свойств парных частиц статистика укладывается в определенные числовые пределы, значит, Эйнштейн был прав, и частицы несут в себе заранее заданные параметры. Если же статистика нарушает эти пределы, значит, природа фундаментально нелокальна, и состояние одной частицы физически не существует до тех пор, пока не измерена вторая.

Для фотонов и спинов нарушение неравенств Белла было доказано многократно. Но доказать это для кинематики — реального перемещения массы в пространстве — до сих пор не удавалось из-за колоссальной технической сложности удержания движущихся атомов в состоянии квантовой когерентности.

Подготовка материи: абсолютный холод и метастабильное состояние

Любое тепловое движение или случайное столкновение с молекулами окружающей среды мгновенно разрушает квантовую запутанность атомов — этот процесс называется декогеренцией. Поэтому эксперимент австралийских ученых начинается в условиях экстремального вакуума и температур, стремящихся к абсолютному нулю.

Исследователи использовали около ста тысяч атомов изотопа гелия-4. При помощи магнитных полей и лазеров газ был охлажден до состояния конденсата Бозе-Эйнштейна. В этой фазе атомы теряют свою индивидуальную термодинамическую энергию и начинают вести себя как единая квантовая волна. Это гарантирует, что начальное состояние системы идеально синхронизировано и лишено теплового шума.

Важной технической деталью стал выбор энергетического состояния гелия. Атомы были переведены в так называемое метастабильное состояние. Каждый атом аккумулировал в себе значительный запас внутренней энергии (около 19.8 электрон-вольт). Эта энергия не влияет на траекторию полета, но играет важную роль при регистрации результатов. Когда такой атом падает на детектор (микроканальную пластину), накопленная энергия высвобождается, позволяя аппаратуре зафиксировать точные пространственные координаты и время попадания каждой отдельной частицы с разрешением до одной наносекунды.

Механика столкновения: генерация запутанных траекторий

После того как конденсат сформирован, магнитная ловушка отключается. Облако атомов начинает свободно падать под действием гравитации. В этот момент ученые облучают падающую материю точным лазерным импульсом. Используя эффект брэгговской дифракции, лазер передает части атомов дополнительный импульс, когерентно расщепляя исходное облако на несколько групп, которые начинают двигаться с разными скоростями.

По мере того как эти группы пространственно разделяются, атомы на их границах сталкиваются друг с другом. Происходит процесс, известный в квантовой механике как s-волновое рассеяние. Согласно закону сохранения импульса, если пара атомов сталкивается, они обязаны разлететься в строго противоположных направлениях. В результате в вакуумной камере формируется расширяющаяся сфера (гало) из разлетающихся частиц.

Поскольку до столкновения атомы находились в едином состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна, их разлет не описывается законами классической баллистики. Противоположные векторы скорости каждой пары оказываются квантово запутаны. Измерение импульса атома, летящего в одну сторону, мгновенно определяет импульс атома, летящего в противоположную сторону.

Атомная интерферометрия: фиксация нелокальности

Сам факт разлета атомов в разные стороны еще не доказывает квантовую нелокальность. Классические объекты после взрыва также разлетаются симметрично. Чтобы исключить теорию скрытых параметров и провести тест Белла, необходимо измерить систему при различных, независимо изменяемых условиях, заставив волновые функции частиц интерферировать.

Для этого физики применили схему Рарити-Тапстера. В классической оптике этот метод требует установки физических зеркал и полупрозрачных стекол для изменения траекторий фотонов. В эксперименте с массивными атомами роль зеркал и призм сыграли дополнительные лазерные импульсы, которые воздействовали на атомы прямо в полете.

Алгоритм измерений выглядит следующим образом. Спустя 350 микросекунд после начального расщепления конденсата, когда атомы уже разлетелись, исследователи подают первый лазерный импульс. Он изменяет импульс строго определенных пар атомов, заставляя их траектории искривиться и направиться навстречу друг другу. Еще через 350 микросекунд подается второй импульс, который выполняет функцию светоделителя: он заставляет траектории пересечься и смешаться.

Именно в этот момент лазерное излучение навязывает волновым функциям атомов определенный фазовый сдвиг. Меняя эту фазу, ученые управляют вероятностью того, в какой части детектора окажутся атомы после завершения падения.

Преодоление классического предела

Спустя более чем 400 миллисекунд свободного падения атомы достигают детектора. Система фиксирует трехмерное распределение частиц и вычисляет корреляционную функцию — математический показатель того, насколько сильно связаны вероятности обнаружения парных атомов в противоположных точках при различных настройках фазы лазера.

В рамках классической физики и теорий локальных скрытых параметров значение этой корреляционной функции имеет строгий математический предел, равный корню из двух (√2, или примерно 1.414). Никакая классическая система не может превысить этот показатель.

Анализ данных эксперимента с гелием показал, что амплитуда колебаний вероятности составила 1.752. Этот результат с высокой степенью статистической достоверности пробивает потолок классической физики. Нарушение неравенства доказывает, что траектории летящих массивных атомов действительно обладают свойством квантовой нелокальности. Их параметры движения не были заданы заранее, а формировались как единая квантовая система вплоть до момента измерения.

Фундаментальное значение для физики будущего

Создание установки, способной поддерживать и измерять квантовую запутанность в движении массивных объектов, открывает дорогу к решению самой сложной проблемы современной физики — поиску связи между квантовой механикой и гравитацией.

Общая теория относительности, описывающая макроскопический мир, и квантовая механика, управляющая микромиром, используют принципиально разный математический аппарат. Существует ряд теоретических моделей, стремящихся их объединить. Например, гипотеза объективной редукции предполагает, что квантовая суперпозиция разрушается (коллапсирует в определенное состояние) именно из-за влияния гравитационного поля массивных объектов. Проверить эту идею на фотонах невозможно, так как они не имеют массы покоя.

Запутанные атомы гелия предоставляют идеальную лабораторную базу. Поскольку они имеют массу, они полноценно взаимодействуют с гравитационным полем Земли во время своего свободного падения. В перспективе исследователи планируют усложнить эксперимент, создав импульсную запутанность между атомами с разной массой — например, используя изотопы гелия-3 и гелия-4 одновременно. Это даст возможность проверить слабый принцип эквивалентности (базовый постулат общей теории относительности, гласящий, что гравитация ускоряет все тела одинаково вне зависимости от массы) на уровне чисто квантовых состояний.

На текущем этапе исследователи отмечают одну инженерную сложность. Для абсолютно безупречного теста Белла необходимо закрыть так называемую лазейку локальности. Это означает, что акты воздействия лазеров на две разлетающиеся частицы должны происходить на таком расстоянии друг от друга, чтобы никакой сигнал, даже летящий со скоростью света, не успел бы передать информацию от одной частицы к другой. Учитывая, что временное разрешение приборов составляет около 1 наносекунды, расстояние между атомами должно превышать 30 сантиметров. На данный момент размер рабочей области детектора составляет лишь 8 сантиметров.

Тем не менее, принципиальная физическая возможность доказана. Кинематика массивных тел официально интегрирована в область квантовой нелокальности. Развитие этой экспериментальной базы в ближайшие годы позволит физикам напрямую тестировать влияние гравитационных полей на квантовую материю, постепенно стирая границу между законами макрокосмоса и парадоксами микромира.

Источник: Nature Communications