Физики проследили с аттосекундной точностью, что происходит при формировании квантовой запутанности
В мире квантовой физики события разворачиваются с молниеносной скоростью — практически мгновенно. Но эти мгновения можно рассмотреть в деталях с помощью современных технологий. Физики из Китая и Венского технического университета изучили эти мимолетные моменты, чтобы понять, как формируется квантовая запутанность.
Квантовая запутанность — состояние, в котором две частицы становятся настолько связанными, что находятся в одном состоянии. Это явление можно сравнить с двумя монетами, которые всегда падают одинаковыми сторонами вверх — если одна упадет решкой вверх, то и другая — тоже. В квантовой физике это означает, что свойства одной частицы мгновенно влияют на состояние другой, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга.
Чтобы изучить, как развивается квантовая запутанность, физики рассматривали атомы гелия, на которые воздействовали чрезвычайно интенсивным и высокочастотным лазерным импульсом. Один электрон при этом вырывается из атома и улетает. Если излучение достаточно сильное, второй электрон также подвергается воздействию: он может быть смещен в состояние с более высокой энергией и вращаться вокруг атомного ядра по другой орбитали.
Мы можем показать, что эти два электрона теперь квантово запутаны. Вы можете анализировать их только вместе — и вы можете выполнить измерение одного из электронов и одновременно узнать что-то о другом электроне.
Профессор Иоахим Бургдерфер, соавтор исследования из Института теоретической физики Венского технического университета
Электрон, который улетает, не имеет определенного момента, когда он покинул атом. «Это значит, что время рождения улетающего электрона в принципе неизвестно. Можно сказать, что сам электрон не знает, когда он покинул атом», — объясняет профессор Бургдерфер. Электрон находится в квантовой суперпозиции, то есть существует в нескольких состояниях одновременно.
Исследователи показали, что возможно достичь ситуации, в которой «время рождения» улетающего электрона — момент, когда он покинул атом, связано с состоянием оставшегося электрона. Эти два свойства квантово запутаны.
В какой момент времени это произошло «на самом деле», ответить невозможно — «фактического» ответа на этот вопрос просто не существует в квантовой физике. Но «время рождения» квантово-физически связано с состоянием электрона, оставшегося в атоме.
Если оставшийся электрон имеет более высокую энергию, то уходящий электрон, вероятно, покинул его раньше. Если он находится в состоянии с более низкой энергией, то электрон, вероятно, покинул его позже — в среднем примерно на 232 аттосекунды позже.
Это почти невообразимо короткий период времени. «Однако эти различия можно не только вычислить, но и измерить экспериментально», — добавляет Бургдерфер. Физики ведут переговоры с исследовательскими группами, которые хотят доказать такие сверхбыстрые запутывания.
