Микрокосм, царство квантовой физики, управляется вероятностью и случаем. Поведение квантовых частиц нельзя предсказать с уверенностью, а только с определенными вероятностями, заданными квантовой физикой. Это приводит к так называемому квантовому шуму, который принципиально ограничивает точность самых совершенных атомных часов и интерферометров. Решением этой проблемы является использование запутанных атомарных систем.
Прорыв был достигнут группой под руководством профессора Теодора В. Хэнша и профессора Филиппа Трейтлейна (Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана и Институт квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Филипп Трейтляйн является профессором Базельского университета с февраля 2010 года). Согласно отчету, опубликованному в журнале Nature, ученым впервые удалось создать запутанность нескольких частиц на атомном чипе. Этот метод открывает путь к значительному повышению точности атомных часов или интерферометров на основе чипов, а также может стать основой для квантовых компьютеров на микрочипах. Мюнхенские эксперименты проводились в сотрудничестве с физиками-теоретиками во главе с доктором Алисой Синатрой из Высшей нормальной школы (ENS) в Париже.
Запутанность - одно из самых увлекательных явлений физики. Как только две частицы приготовлены в запутанном состоянии, они теряют свою индивидуальность и должны рассматриваться как одна единая система. Что бы ни случилось с одной из частиц, это окажет мгновенное влияние на другую, независимо от расстояния между частицами. Еще 80 лет назад Альберт Эйнштейн назвал это явление, противоречащее всякой интуиции, «призрачным действием на расстоянии». Запутанность - строгое следствие квантовой теории, однако только в последнее десятилетие двадцатого века запутанные состояния атомов можно было экспериментально сгенерировать и проверить. Это открыло возможность не только лучше понять это загадочное явление, но и использовать его для технических приложений, таких как связь, метрология и вычислительная техника.
В описанном здесь эксперименте мюнхенской группе впервые удалось создать запутанность на атомном чипе. Атомный чип - это микроструктурированный чип, способный хранить и управлять отдельными атомами или атомными облаками. Атомные чипы уже показали себя универсальными инструментами как для изучения фундаментальных проблем квантовой физики, так и для ряда интересных приложений. Например, с использованием этой технологии были разработаны атомные часы на основе чипа, пригодные для портативного использования. Однако до сих пор не существовало метода создания запутанности на чипе. И пока атомные часы работают с атомами, независимыми друг от друга, их точность будет ограничена фундаментальным квантовым шумом.
Два года назад физики-теоретики Алиса Синатра и Ли Юн разработали в сотрудничестве с группой Филиппа Трейтлейна концепцию подавления этого квантового шума. Эксперимент начинается с захвата облака атомов рубидия на чипе и его охлаждения менее чем до миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. При этих температурах атомы образуют конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК), новое состояние, в котором все атомы находятся в одном и том же четко определенном квантовом состоянии. Атомы рубидия можно описать так называемым спином, который может быть направлен либо вверх, либо вниз. Основное состояние атомов в БЭК соответствует спину, ориентированному вниз. Микроволновый импульс, который применяется к БЭК, теперь вращает спины так, что каждый атом находится в суперпозиции обоих спиновых состояний.
Затем БЭК подвергается воздействию потенциала, зависящего от состояния, который создается вторым микроволновым полем. «Под влиянием этого поля атомы могут сталкиваться только с атомами того же спинового состояния. Поэтому динамическая эволюция их состояний зависит от состояний всех других атомов. Этот эффект приводит к запутыванию атомов», - объясняет Макс Ридель, докторант эксперимента.
При измерении БЭК незапутанных атомов в среднем половина атомов находится в основном состоянии (спин направлен вниз), а другая половина - в возбужденном состоянии (спин направлен вверх). «Отклонения от этого среднего значения, возникающие от измерения к измерению, приводят к квантовому шуму, который равномерно распределяется между компонентами спина, ортогональными среднему спину», - добавляет Паскаль Бёхи, еще один докторант.
Чтобы исследовать влияние потенциала, зависящего от состояния, на квантовый шум, ученые определили шум для каждой компоненты спина, используя еще один микроволновый импульс. Как они могли ясно продемонстрировать, для одной компоненты спина шум может быть «сжат» ниже предела, заданного соотношением неопределенностей Гейзенберга. Из наблюдаемого снижения шума ученые пришли к выводу, что внутри кластеров БЭК запутаны как минимум четыре атома.
Используя запутанные ансамбли атомов, точность атомных часов может быть значительно увеличена. Дальнейшие приложения включают высокочувствительные атомные интерферометры для обнаружения чрезвычайно слабых взаимодействий и реализацию квантовых вентилей, ключевого элемента будущих квантовых компьютеров. Но ученые также надеются получить более глубокое понимание процессов, которые приводят к квантовым корреляциям в квантовых системах многих тел.
Эксперименты проводились при поддержке Deutsche Forschungsgemeinschaft в рамках кластера передового опыта «Nanosystems Initiative Munich (NIM)» и при поддержке Европейского Союза в рамках проекта «Atomic Quantum Technologies (АКВИТ)."