Фізики вперше в світі отримали квантову сплутаність двох алмазів при кімнатній температурі

Дослідники з Оксфорда (University of Oxford) провели експеримент, під час якого їм вперше у світі вдалося створити квантову сплутаність двох алмазів, рознесених на відстань 15 сантиметрів. Кристали протягом декількох пікосекунд перебували у стані, коли вони одночасно коливалися і не коливалися.

Щоб зрозуміти, у чому власне полягало завдання і в чому була його складність, потрібно згадати квантову фізику.

Терміном квантова сплутаність позначається взаємозв'язок квантових станів двох частинок, які не перебувають у безпосередньому фізичному контакті. Так, якщо одна частинка знаходиться у стані A, то інша повинна бути у стані B, і навпаки. Навіть якщо вони знаходяться на великій відстані один від одного.

Доти, поки стан частинки нічим не вимірюється, вона, згідно з принципом суперпозиції, може бути одночасно як у стані A, так і в стані B (а також у будь-якому іншому стані). Але будь-яке вимірювання призводить до колапсу суперпозиції в один із можливих станів.

У випадку, коли дві частинки пов'язані, вимірювання призводить ще й до того, що одна з них "падає", наприклад, у стан A, а інша внаслідок зв'язку миттєво переходить у стан B.

Раніше науковцям вдавалося квантово плутати ультрахолодні атоми і групи атомів. Однак при кімнатній температурі квантова сплутаність легко руйнується випадковим рухом атомів. Складно працювати і з об'єктами, які можна побачити неозброєним оком, оскільки в цьому випадку взаємодіє значна кількість частинок.

Іен Волмслі (Ian Walmsley) і його колеги придумали спосіб обійти обидва обмеження і продемонстрували на досвіді, що дію законів квантової фізики можна спостерігати і в макросвіті (без додаткових хитрувань). Стаття фізиків з'явилася у журналі Science.
Вчені пов'язали не частинки, а синхронізовані вібрації атомів (фонони) у двох кристалах алмазів. Фонони — це хвилеподібні переміщення атомів у кристалічній решітці, які відбуваються всередині всіх твердих тіл. Їх можна порівняти зі звуковими хвилями у повітрі.

Однак, оскільки алмаз має дуже жорстку решітку, атоми коливаються в ній з дуже високою частотою і енергією, а тому навіть при кімнатній температурі "підстрибування" відбуваються не дуже активно. (З цієї причини алмаз часто обирають для подібних експериментів.)

Британські фізики лазерним імпульсом змусили коливатися фонони у двох 3-міліметрових кристалах, розташованих на відстані 15 сантиметрів один від одного. За даними дослідників, їм вдалося досягти когерентної взаємодії близько 1016 атомів. Вони займають у кристалі область 0,05 міліметра завширшки і 0,25 міліметра завдовжки, тобто такий рух теоретично можна побачити неозброєним оком.

Щоб фонони в алмазах були квантово сплутані, науковцям довелося дотриматися трьох умов. Перше: фонон збуджується тільки одним фотоном лазерного променя. Друге: цей фотон потрібно "розділити", щоб він пішов до одного чи іншого кристалу. Оскільки дізнатися, куди саме він направився не можна, то можна вважати, що фотон перебуває у суперпозиції траєкторій (нібито рухається в обох напрямках). Тоді й отриманий фонон також знаходиться у стані квантової суперпозиції.

І, нарешті, третя умова: початковий фотон повинен частину енергії конвертувати в інший низькоенергетичний фотон, що зветься стоксовим (Stokes photon), який би давав знати про появу фонона.

"Коли ми ловимо стоксовий фотон, ми знаємо, що було отримано фонон, але ми не знаємо, в який алмаз він направився, — розповідає Волмслі. - Виникає сплутаний стан, при якому не можна вважати вірним ані вислів, що "цей алмаз коливається", ані твердження, що "цей алмаз не коливається".

Щоб перевірити, що з'являється квантова сплутаність, фізики також направляють другий лазерний імпульс в обидва кристали. Він необхідний, щоб "вважати", що народжується фонон, у якого лазерний фотон відбирає частину енергії.

Вчені з Оксфорда провели величезну кількість "запусків", але при цьому нарахували не так багато випадків, коли всіх умов було дотримано і потрібний результат отримано.

Малоймовірно, що нинішнє досягнення знайде практичне застосування найближчим часом. Надто вже короткий час тримається квантова сплутаність кристалів (менше 0,35 пікосекунди).

Але Волмслі налаштований оптимістично, пише Nature News. "Алмази цілком можуть стати основою продуктивної технології для обробки квантової інформації. Властивості цих кристалів дозволяють побудувати за їх допомогою оптичні мікросхеми", — говорить Іен.

Професор говорить про квантові комп'ютери, які б використовували головну перевагу суперпозиції безлічі можливих станів перед всього двома станами, кодованими сучасними бітами (0 і 1). Такі машини могли б кодувати набагато більшу кількість інформації.

А при використанні для передачі даних квантової криптографії комп'ютер міг би відразу дізнатися про будь-яке втручання ззовні (адже будь-яка спроба зчитати інформацію призведе до колапсу суперпозиції).