Для работы проектов iXBT.com нужны файлы cookie и сервисы аналитики. Продолжая посещать сайты проектов вы соглашаетесь с нашей Политикой в отношении файлов cookie Вселенная запрещает подглядывать: эксперимент с атомом закрыл 100-летний спор Эйнштейна и Бора ✦ ИИ Этот пост, предположительно, был создан при помощи искусственного интеллекта Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com Вчера в 12:09 | Статья | Наука и космос Пятая Сольвеевская конференция. В одном зале собрались люди, чьими именами позже назовут физические постоянные и химические элементы. В центре внимания — спор Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Эйнштейн не принимал вероятностную природу новой физики. Он искал брешь в логике квантовой механики, способ обойти принцип неопределенности Гейзенберга. Его аргументом стал мысленный эксперимент. Столетний спор Эйнштейна и Бора, художественная интерпретация Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com Эйнштейн предложил модифицировать классический опыт с двумя щелями. Представьте, говорил он, что первая щель не зафиксирована жестко, а может двигаться. Она настолько легкая, что когда через нее пролетает частица света (фотон), щель испытывает крошечный толчок — отдачу. Измерив импульс этой отдачи, мы узнаем, через какую именно траекторию прошел фотон. При этом, по мнению Эйнштейна, мы сохраним интерференционную картину на экране. То есть, мы бы наблюдали частицу (знали путь) и волну (видели интерференцию) одновременно. Нильс Бор парировал. Он утверждал, что само измерение импульса щели внесет такую неопределенность, что интерференционная картина исчезнет. Природа защищает свои законы: вы либо знаете путь, либо видите волну. Никогда и то, и другое сразу. Концепция мысленного эксперимента Эйнштейна-Бора и ее реализация. a, Схема опыта: интерференция одиночного фотона на «подвижной щели». При ударе фотон рассеивается, и его траектория оказывается квантово запутанной с импульсом щели. b, Как это сделано в реальности. Роль подвижной квантовой щели играет одиночный атом, пойманный оптическим пинцетом и охлажденный до основного состояния. Неопределенность импульса атома можно оптически настраивать так, чтобы она была сопоставима с импульсом самого фотона. Фотон рассеивается либо вверх, либо вниз, после чего пути сводятся на светоделителе. c, В этой запутанной системе состояния импульса атома |ψ(p — ħk)⟩ и |ψ(p + ħk)⟩ жестко привязаны к траекториям фотона |+ħk⟩ и |-ħk⟩ соответственно. Будет ли видна интерференционная картина, зависит от степени перекрытия (наложения) этих состояний импульса атома. Автор: Yu-Chen Zhang et al. arXiv:2410.10664 [quant-ph] Источник: arxiv.org Почти сто лет этот спор оставался на бумаге. Никто не мог создать «подвижную щель» нужной чувствительности. До сегодняшнего дня. Группа физиков из Китая реализовала схему Эйнштейна в железе, используя технологии, о которых в 1927 году мечтать, конечно же, не могли. Атом вместо стены Главная инженерная проблема эксперимента Эйнштейна — масса. Чтобы заметить удар одиночного фотона, «щель» должна быть невероятно легкой. Любое макроскопическое зеркало или пластина слишком тяжелые. Авторы нового исследования пошли хитрым путем. Они заменили механическую щель одиночным атомом рубидия-87. Как это работает? Оптический пинцет: атом удерживается в вакууме с помощью сфокусированного лазерного луча. Охлаждение до предела: с помощью метода рамановского охлаждения боковых полос атом переводят в «основное состояние движения». Это значит, что он практически замирает. Его тепловые колебания подавлены. Рассеяние: на атом направляют фотон. Атом работает как барьер. Фотон рассеивается на нем, передавая атому крошечный импульс. Это и есть «подвижная щель». Атом получает удар (отдачу) и меняет свой импульс. Если мы можем измерить это изменение, мы знаем траекторию фотона. Экспериментальная установка. a, Одиночный атом рубидия-87 (87Rb) пойман в оптический пинцет с помощью объектива. Второй объектив собирает рассеянные фотоны и направляет их в оптоволокно к детекторам (SPCM). Вся оптическая система стабилизирована по фазе с помощью опорного лазера с длиной волны 1064 нм. b, Спектры, подтверждающие охлаждение атома до «основного состояния» (минимально возможной энергии движения). Остаточное число фононов n̄ (количественная мера тепловых колебаний атома) рассчитано по соотношению пиков на графике. Планки погрешностей показывают одно стандартное отклонение. c, График стабильности фазы за 10 часов непрерывных измерений. Отклонение составило всего 16.5 мрад (примерно λ/190), что говорит о высокой точности установки. d, Схема энергетических уровней атома, используемых для процесса рассеяния фотона. Автор: Yu-Chen Zhang et al. arXiv:2410.10664 [quant-ph] Источник: arxiv.org Настройка неопределенности Самое интересное в этой работе — возможность подстройки. Ученые смогли менять жесткость оптической ловушки, удерживающей атом. Это напрямую влияет на принцип неопределенности. Логика такая: Если ловушка «жесткая», атом сильно зажат в пространстве, и мы точно знаем, где он. Но согласно принципу Гейзенберга, чем точнее мы знаем координату, тем больше неопределенность импульса. Если ловушка «мягкая», атом локализован хуже, зато его импульс определен гораздо точнее. Это позволило физикам проверить гипотезу Эйнштейна в динамике. Они меняли параметры ловушки, делая атом то более, то менее чувствительным к удару фотона. Результаты эксперимента: управление интерференцией. a, График наблюдаемой видимости интерференции (синие квадраты). Она меняется в зависимости от глубины оптической ловушки и параметра η = ħk/2Δp (это соотношение между импульсом фотона и неопределенности импульса атома). Черная линия — теоретический прогноз для идеального случая (абсолютно холодный атом). Красные круги — уточненный прогноз, учитывающий реальный небольшой нагрев атома (остаточные фононы), измеренный в опыте. Видно, что эксперимент совпадает с уточненной теорией. b, Реальные интерференционные полосы при четырех разных настройках глубины ловушки. По оси Y отложен дисбаланс детектирования, рассчитанный по формуле (C₁ — C₂) / (C₁ + C₂), где C₁ и C₂ — количество фотонов, пойманных в первом и втором канале соответственно. Данные идеально укладываются в синусоиду (волновой характер), а погрешности измерений здесь настолько малы, что их планки меньше размера самих точек на графике. Автор: Yu-Chen Zhang et al. arXiv:2410.10664 [quant-ph] Источник: arxiv.org Где прячется интерференция? Результаты эксперимента подтвердили правоту Нильса Бора с высокой точностью. Когда физики настраивали ловушку так, чтобы импульс атома был определен максимально точно (то есть создавали условия для выяснения «пути» фотона), интерференционные полосы на детекторе размывались и исчезали. Система вела себя как поток частиц. Как только они меняли настройки, увеличивая неопределенность импульса атома (теряя информацию о пути), интерференционная картина возвращалась. Свет снова вел себя как волна. Авторы исследования подчеркивают: исчезновение интерференции происходит не из-за технических помех или нагрева атома (хотя они тщательно отделили эти классические шумы от квантовых эффектов). Причина это запутанность. В момент удара фотон и атом становятся единой квантовой системой. Состояние атома оказывается жестко связано с траекторией фотона. Чем сильнее эта связь, тем больше информации о пути мы получаем, и тем слабее проявляются волновые свойства. Почему исчезает интерференция: роль нагрева и прецессии. a, Динамика потери интерференции. Точки — экспериментальные данные, линия — теория. График показывает, как падает видимость интерференции со временем (в течение 15 мкс непрерывного рассеяния фотонов). Нижний ряд картинок — это диаграммы Вигнера (компьютерное моделирование). Они показывают, как «размывается» и вращается (прецессирует) квантовое состояние атома в фазовом пространстве из-за рассеяния света и специфических эффектов нагрева (anti-trapping). b, Зависимость интерференции от «температуры» атома (при глубине ловушки 10.49 мК). По оси X — среднее число фононов n̄ (мера тепловых колебаний атома). Видно: чем «горячее» атом, тем слабее квантовые эффекты. Сплошная линия — теоретический прогноз затухания видимости V, описываемый формулой V = e^(-2η_eff²), где эффективный параметр η_eff = η√(2n̄ + 1). Это уравнение математически описывает переход от квантового поведения к классическому. Автор: Yu-Chen Zhang et al. arXiv:2410.10664 [quant-ph] Источник: arxiv.org Почему это важно? Мы привыкли слышать о странностях квантовой механики. Но этот эксперимент переводит странность из среды философских бесед в измеряемые величины. Исследователи не просто повторили спор столетней давности. Они создали интерферометр, работающий на пределе квантовой чувствительности. Они показали, как именно происходит переход от квантового мира к классическому. «Классичность» возникает не просто так — она появляется, когда система начинает терять когерентность из-за взаимодействия с окружением (в данном случае — нагрев и шумы, которые ученые также измерили и отделили от чистого эффекта). Эйнштейн проиграл в этом споре еще в 1927 году теоретически. Теперь он проиграл экспериментально. Природа не позволяет подглядывать за своими механизмами, не разрушая их. Но ирония в том, что именно попытки Эйнштейна опровергнуть квантовую теорию привели нас к глубочайшему пониманию запутанности — ресурса, на котором сегодня строятся квантовые компьютеры. Source: https://www.ixbt.com/live/science/vselennaya-zapreschaet-podglyadyvat-eksperiment-s-atomom-zakryl-100-letniy-spor-eynshteyna-i-bora.html