Атом без свойств или нарушение локального реализма

Микроскопический мир регулируется законами квантовой механики, где свойства частицы полностью неопределимы и еще сильнее зависят от свойств других частиц. Физики из Университета Базеля обнаружили так называемые корреляции Белла впервые между сотнями атомов. Их открытие было опубликовано в научном журнале Science.

Неравенства Белла, в простейшем случае, представляют собой ограничение на связь между результатами двух проведенных измерений в разных точках пространства. Они порождены принципом локальности, запрещающим одной системе моментально влиять на физическую реальность другой системы. Проиллюстрировать их работы можно на примере измерений квантовых свойств двух частиц, к примеру, поляризации фотонов или спинов фермионов.

В одном из мысленных экспериментов неравенства Белла указывают на то, что измеряя разные проекции поляризации у двух частиц, рожденных в одном процессе, мы получим совпадения экспериментов как минимум в трети случаев. На практике же совпадения наблюдаются лишь в 25 процентах измерений. Это указывает на то, что состояния частиц скоррелированы сильнее, чем это можно объяснить «договоренностью» о поведении в экспериментах (внутренними параметрами). Это пример нарушения принципа локальности, при котором состояние одной частицы может моментально влиять на исход измерения свойств другой частицы. То есть внутрисистемная зависимость сильнее, чем внешние флуктуации или намеренные воздействия на систему с целью получения Х результата.

Каждый день объекты зависят от свойств независимо друг от друга и несмотря на то будь то они наблюдаемыми или нет. Известна фраза Эйнштейна, когда он поинтересовался тем, будет ли Луна существовать пока никто на нее не смотрит. Теперь же мы можем ответить однозначно да. Этот очевидный реализм не существует для маленьких частиц. Положение, скорость или магнитный момент атома могут быть полностью не определены и все еще сильно зависеть от измерений других удаленных атомов.

Тест корреляций Белла

С фальшивым предположением, что атомы зависят от их свойств и независимы от измерений и независимы друг от друга, неравенство Белла может быть так же получено. Это нарушается экспериментом, из этого следует, что свойства атомов должны быть независимы. Это как раз и объясняется корреляциями Белла между атомами, которые так же подразумевают, что каждый атом проявляет свои свойства только в момент самого измерения. До проведения измерения, его свойства не только неизвестны, но они в принципе не существуют. Команда исследователей под руководством профессора Николаса Сангварда и Филиппа Тритлейна из университета Базеля, вместе с коллегами из Сингапура, в настоящий момент исследовали корреляции Белла впервые в относительно большой системе, конкретно составленной из 480 атомов конденсата Бозе - Эйнштейна. Ранние эксперименты исследовали максимум систему из 4 фотонов либо из 14 атомов. Результаты означают, что эти специфические квантовые эффекты также могут играть определенную роль в более крупных системах, то есть в макроскопических системах.

Большое количество взаимодействующих частиц

Для наблюдения белловских корреляций в системе состоящей из множества частиц, исследователи должны были впервые изобрести новый метод который не зависит от измерения каждой частицы индивидуально - что потребовало бы уровень контроля свыше того что возможно сейчас. Команда успешно разрешила данную задачу с помощью самого неравенства Белла. Базелевские исследователи протестировали их метод в лаборатории с небольшим облаком холодных атомов, охлажденных лазером до нескольких миллиардных долей выше абсолютного нуля. Атомы в облаке постоянно сталкиваются, создавая свои магнитные моменты, чтобы стать менее запутанными. Когда эта запутанность достигает определенной величины, белловские корреляции могут быть обнаружены с достаточной точностью.

Автор Роман Шмид поясняет:

"Можно было ожидать, что случайные столкновения скорее вызовут расстройство. Вместо этого, квантово-механические свойства становятся запутанными настолько сильно, что они нарушают классические статистические данные"

Более конкретно, каждый атом приводится в состояние квантовой суперпозиции двух состояний. После того как атом стал запутанным в результате столкновений, исследователи могут подсчитать, сколько атомов фактически находится в каждом из этих двух состояний. Это деление меняется случайным образом между испытаниями. Если эти изменения находятся, ниже определенного порогового значения, по-видимому, как будто атомы "договорились" об изменении своих параметров, но по их результатам измерений; это соглашение как раз и описывается неравенствами Белла.

Предложенная система может использоваться в генерации достоверно случайных величин - этот процесс уже был описан для пар кубитов, но для многочастичных объектов он может оказаться более эффективным.

Источник: phys.org

Комментарии: