Используя только одну частицу света, ученым впервые удалось связать друг с другом тысячи атомов в странное состояние, известное как квантовая запутанность, где поведение атомов будет оставаться связанным, даже если они находятся на противоположных концах Вселенной. Это самое большое количество частиц, которое когда-либо было взаимно запутанно в эксперименте, что может привести к созданию более точных атомных часов, улучшить GPS навигацию и приблизить к созданию квантового компьютера.
Поведение всех известных нам частиц может быть объяснено с помощью квантовой физики. Ключевой особенностью квантовой физики является то, что мир становится сюрреалистичным местом на очень маленьких его уровнях. Например, атомы и другие фундаментальные строительные блоки нашей Вселенной на самом деле существуют в состоянии потока, известном как «суперпозиция,» где частицы, могут быть расположен в двух или нескольких местах одновременно.
Одно из следствий квантовой физики это квантовая запутанность, в которой несколько частиц могут существенно влиять друг на друга одновременно, независимо от расстояния.
Эйнштейн отклонил эту, казалось бы невозможную связь, как «невообразимое действия на расстоянии,» но многочисленные эксперименты доказали, что квантовая запутанность является реальной, и это может служить основой для передовых технологий будущего, таких как невероятно мощные квантовые компьютеры и квантовое шифрование.
Применение квантовой запутанности позволит создать невероятно точные атомные часы, которые являются жизненно важными для GPS. «Сегодняшние атомные часы достигли почти невообразимый уровень точности — их погрешность составляло бы одну минуту, если бы они шли с момента Большого Взрыва», рассказал журналу «Live Science» соавтор исследования Влэдэн Вулетик (Vladan Vuletic), квантовый физик, из Массачусетского технологического института.
На сегодняшний день лучшие атомные часы основаны на колебаниях, замеченных в облаке и пойманных в нем атомов, по существу это действующий маятник, сохраняющий постоянный ритм. Лазерный луч выстреливая в такое облако, может обнаружить колебания атомов и использовать их для определения времени. Точность атомных часов улучшается с большим количеством атомов колеблющихся в пределах облака. Чем больше атомов исследователи смогут запутать, тем больше их могло бы колебаться вместе, что улучшит их использование в хронометрировании.
До сих пор самое большее количество атомов которое ученые могли запутать, не превышало 100. Кроме того, эти атомы представляли лишь малую часть из большого количества атомов в эксперименте. Теперь же, Влэдэн Вулетик и его коллеги успешно запутали около 3000 атомов, почти всю группу из 3100 атомов принимавших участия в эксперименте. Кроме того, они сделали это используя единственный фотон, частицу, которая является частью света.
«Тот факт, что мы можем влиять на такое количество частиц только одним единственным фотоном, является самым удивительным открытием,» рассказал квантовый физик.
Сначала, исследователи охладили облако атомов рубидия до несколько десятитысячных миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, до самой холодной возможной температуры. Затем они заманили атомы в ловушку между двумя слегка прозрачными зеркалами и запустили слабый лазерный импульс через одно из зеркал.
Импульс содержал всего лишь единственный фотон, двигаясь назад и вперед между зеркалами, пройдя приблизительно 5000 раз через облако.
Фотон можно рассматривать как волну, колеблющуюся в пространстве. Если бы фотон в одном из лазерных импульсов прошел через облако не взаимодействуя ни с одним из его атомов, поляризация фотона — его волновая ориентация — осталась бы той же.
Если бы фотон взаимодействовал с атомами облака, то поляризация фотона немного бы изменилась. Как ни странно, но в области квантовой физики, акт измерения может существенно влиять на измеряемый объект, и акт обнаружения фотона, который взаимодействовал с этими атомами, может по существу произвести запутанность между этими атомами.
Исследовательская группа использовала чрезвычайно слабый импульс света, что послужило ключом к успеху. «Ранее, в экспериментах использовали намного больше фотонов, десятки тысяч или миллионы фотонов, которые добавляли много шума в эксперименте,» рассказал Влэдэн Вулетик. «Мы просто использовали единственный фотон, который намного меньше встревожил ансамбль из атомов».
Исследователи предполагают, что возможно запутать еще больше атомов вместе. «Мы могли бы пойти дальше и запутать миллион атомов прямо сейчас,» добавил Ученый.
Ученые в настоящее время используют этот метод обнаружения единственного фотона, чтобы построить современные атомные часы, которые смогут улучшить хронометрирование в два раза. Кроме того, исследователи стремятся достичь еще более сложного запутанного состояния — необходимого в таких приложениях, как квантовое вычисление.
Первоисточник: Discovery