Проделки Бога. Как физики засекли самое необычное явление в квантовом мире

Ученые из Австрии и США экспериментально подтвердили переход частиц в состояние квантовой запутанности

Коротко:

— что такое квантовая критичность и квантовая запутанность

— как физики обнаружили фантастические свойства металлов

— в чем основная проблема квантовых компьютеров

Одно из наиболее загадочных явлений в квантовой механике — взаимозапутанное состояние мельчайших частиц. В этом состоянии частицы могут нарушать известные нам законы физики и проявлять буквально фантастические свойства. Группа ученых из Австрии и США недавно заявила о новом методе наблюдений за переходом частиц в состояние квантовой запутанности.В осприятие окружающей среды с точки зрения человека не сулит нам ничего особенно интересного. В видимом нам мире все объекты взаимодействуют друг с другом по давно описанным законам физики, и, например, бросая ключи от подъезда с окна многоэтажки вашему знакомому, который пришел в гости, — вы можете точно определить, в каком месте на клумбе они упадут.Все становится гораздо интереснее, если наблюдать за поведением окружающей среды в микромасштабах. Скажем, разглядеть в сверхмощном микроскопе из чего состоят неделимые частицы атомов в ключах, которые мы бросаем из окна.В этом неделимом, а, точнее, квантовом мире элементарные частицы ведут себя настолько непредсказуемо, что бросок ключей и определение их места на клумбе могут показаться нам не осознанным выбором, а частью процессов взаимодействия этих частиц в сложной системе, которая существует параллельно с доступным нам физическим миром.

Ученые знают, что факт наблюдения за квантовой системой может нарушить ее целостность. Тем не менее, исследователи со всего мира уже несколько раз засекали необъяснимые квантовые процессы, которые происходят вопреки привычным нам законам физики.Одними из таких «счастливцев» стали физики-экспериментаторы из Австрии и США, которые в своем недавнем эксперименте засекли переход элементарных частиц в состояние квантовой запутанности.

Что увидели ученые?

Физики из Венского технического университета и Университета Уильяма Марша Райса в США на днях опубликовали исследование, согласно которому они нашли способ наблюдения за переходом в состояние квантовой запутанности миллиардов электронов в металлической пленке.В качестве подопытного материала ученые использовали так называемый «странный металл» — сплав иттербия, родия и кремния, который при сверхнизких температурах проявляет необычные свойства.Как объясняет один из авторов эксперимента Силке Бюлер-Пашен из Венского технического университета, у странных металлов прослеживается необычная связь между электрическим сопротивлением и их температурой. «В отличие от простых металлов, таких как медь или золото, это, вероятно, связано не с тепловым движением атомов, а с квантовыми колебаниями при абсолютной нулевой температуре», — говорит Бюлер-Пашен.

Охладив странный металл до температуры почти в минус 273 градуса по Цельсию, ученые засекли у электронов этого материала состояние квантовой критичности — переходный момент, который в классической физике можно сравнить с изменением агрегатного состояния вещества между твердым, газообразным и жидким.

Профессор Института теоретической физики им. Ландау Константин Ефетов пишет, что квантовая критичность — это поведение элементарных частиц при нулевой температуре, для которого характерно разрушение металлического состояния.

«Электроны ведут себя больше не как устойчивые квазичастицы, а становятся тяжелыми и короткоживущими, существенно меняя термодинамические и транспортные свойства таких материалов. Квантовые критические точки (QCP) принадлежат к числу самых сильных возмущений, которые могут быть привнесены в металлическое состояние», — объясняет Ефетов.

Физики из Австрии и США смогли экспериментально засечь состояние квантовой критичности с помощью охлаждения странного металла: при сверхнизких температурах внезапно изменилась структура вещества и свойства электронов, что заставило миллиарды этих элементарных частиц перейти в состояние квантовой запутанности и вести себя как единое целое.

«Когда мы говорим о квантовой запутанности, мы обычно думаем о мире частиц и не ассоциируем ее с макроскопическими объектами. С другой стороны, если достичь квантовой критической точки, то у нас появляется возможность увидеть этот феномен в металлической пленке, которая содержит миллиарды миллиардов связанных квантовых объектов», — рассказывает автор работы, физик из Университета Уильяма Марша Райса Цимяо Си.

Самым сложным в этом эксперименте было создание чистейшего образца странного металла, на что у исследователей ушло несколько лет. После этого физики изучали, как его электроны ведут себя при охлаждении и взаимодействуют с пучками терагерцового излучения, которое находится в диапазоне между инфракрасными и сверхвысокочастотными волнами.

Ключевым моментом исследования стало обнаружение взаимозависимости между температурой и частотой квантовых колебаний, что и есть основным признаком квантовой критичности.

По сути, благодаря обнаружению квантовой критичности в электронах странного металла, ученые засекли момент их перехода в сингулярное состояние. Достижение этой сингулярности — т. е. квантовой запутанности — сулит огромные перспективы в создании сверхпроводников, которые являются основой для квантовых компьютеров.

«Концептуально, это действительно был эксперимент мечты… Наши результаты показывают, что квантовая критичность может привести к созданию платформы как для квантовой информации, так и для высокотемпературной сверхпроводимости. Когда кто-то созерцает такую возможность — он не может не удивляться чуду природы», — говорит Цимяо Си.

Что такое квантовая запутанность и почему она важна?

Как ранее писало НВ, квантовая запутанность — это явление в теоретической физике, при котором квантовые состояния элементарных частиц оказываются связанными и взаимозаменяемыми на абсолютно любых расстояниях. Речь идет о расстояниях, которые выходят за пределы любых форм взаимодействия в классической физике.

Иными словами, частицы, которые находятся в состоянии квантовой запутанности, формируют единое целое и влияют друг на друга вне зависимости от расстояния между ними. При этом, измерение состояния одной из них оказывает влияние на другую частицу.

Альберт Эйнштейн называл квантовую запутанность «жутким взаимодействием на расстоянии». И не зря, ведь это квантовое явление противоречит его общей теории относительности.

К примеру, если взять два упомянутых выше электрона странного металла, которые будут находиться в состоянии квантовой запутанности, и разнести их в пространстве-времени на разные уголки Вселенной, — при измерении состояния первого электрона, состояние второго определится моментально и получит противоположное значение.Это означает, что частицы в квантовом состоянии могут взаимодействовать друг с другом на скоростях, гораздо высших скорости света, что, согласно Эйнштейну, в принципе невозможно в условиях нашей Вселенной.Среди прочего, квантовая запутанность является основой для многомировой интерпретации и многочисленных теорий о существовании параллельных Вселенных. В мае прошлого года физик-теоретик из США Брайан Свингл предложил теорию, согласно которой квантовые пары и их запутанности буквально формируют пространство-время во всей Вселенной, и все, что нас окружает — это своего рода голограмма квантового мира, в которой присутствует время.

В своей модели Свингл объединил законы пространства-времени Эйнштейна и некоторые свойства квантовой механики в антидеситтеровском пространстве — максимально симметричном пространстве с нулевой кривизной.

По его расчетам, четырехмерная структура пространства-времени (длина, ширина, глубина и время) может быть закодирована в трехмерном квантовом мире (с теми же измерениями, только без времени), а запутанные квантовые частицы, в таком случае, не только находятся вне пространства-времени, но и формируют его.Кроме таких экзотических исследований, квантовая запутанность может нести и более практичный результат. В частности, полгода назад физики из Университета Глазго, подобно своим коллегам из Австрии и США, заявили об экспериментальном обнаружении квантовой запутанности двух фотонов, более известном как состояние Белла.Ученые разработали специальную камеру, которая реагирует на потоки запутанных фотонов из квантового источника света. Фотоны были изображены на жидкокристаллической поверхности, с помощью которой можно управлять их состояниями.Подобные исследования приближают нас к квантовому программированию и разработке полноценного квантового компьютера, в котором минимальная единица информации — кубит — может находится в двух состояниях одновременно.

В перспективе это может привести к серьезному увеличению вычислительных мощностей и настоящей революции в программировании. Однако, действующие квантовые компьютеры очень нестабильны из-за того, что квантовое состояние кубитов сложно поддерживать длительное время, не говоря уже о передаче информации через сверхпроводники, которые охлаждены до очень низких температур.

Проблемы квантовых компьютеров

Несмотря на недавнее заявление Google о достижении квантового превосходства с помощью их экспериментального процессора Sycamore, пока не существует эффективных вычислительных устройств, принцип работы которых был бы основан на квантовом взаимодействии частиц.

Это сразу же подтвердили главные конкуренты Google по квантовым компьютерам — компания IBM, представители которой заявили, что их «обычный» суперкомпьютер Summit легко выполнит вычисления, которыми хвастались в Google со своим Sycamore.

Да, кубиты в квантовых компьютерах действительно могут находиться в двух состояниях одновременно и обрабатывать гораздо больше информации. Но из-за нестабильности сверхпроводящих материалов, которые могут переходить в квантовое состояние лишь на некоторое время, все вычисления действующих квантовых компьютеров носят лишь технических характер и не представляют особой ценности для науки.

Кстати, решение этой проблемы недавно предлагали ученые из того же австрийского Института науки и техники: несколько месяцев назад физики разработали прототип устройства для объединения информации о вычислениях квантовых компьютеров с обычными.

Их устройство — механический генератор для создания запутанного излучения между квантовыми компьютерами — опять-таки касается явления квантовой запутанности и предусматривает, что в таком состоянии могут быть не только элементарные частицы, но и излучения этих частиц.

«Представьте себе коробку с двумя отверстиями. Если отверстия запутаны, можно охарактеризовать излучение, выходящее из одного отверстия, глядя на другое», — писали авторы работы. В своем эксперименте физики из Австрии впервые использовали механический объект: с помощью кремниевого источника излучения, длиной в 30 микрометров, ученые подтвердили существование запутанного излучения, что теоретически может означать обмен информацией на расстоянии.

Такая технология может позволить объединить излучение микроволновых импульсов в квантовых компьютерах с микроволновыми импульсами уже укрощенного нами оптического волокна. Это означает, что между «холодными» сверхпроводниками в квантовых компьютерах и устройствами, которые передают информацию при комнатной температуре можно установить соединение, и считывать данные о квантовых вычислениях.

В это же время физики из Иллинойского и Гамбургского университетов и вовсе предложили использовать в качестве кубитов фермионы Майораны — квазичастицы, которые одновременно являются своими античастицами. В состоянии запутанности эти частицы якобы очень стабильны и их можно использовать для хранения информации.

Ученые из Германии и США впервые засекли фермионы Майораны в эксперименте со сверхпроводником из рения, — этот материал не имеет электрического сопротивления при температурах около шести градусов по Кельвину (-267 °C). Авторы исследования заявили, что следующим шагом для создания квантовых компьютеров должно быть инженерное решение для управления кубитами Майораны и увеличения с их помощью компьютерных мощностей.

Очевидно, что исследования квантовых состояний сверхпроводников пока находятся на начальном этапе, но именно такие эксперименты сулят огромные перспективы для развития альтернативной физики и революционных открытий в разных сферах жизни человека.

Источник: nv.ua

Комментарии: