Физики впервые в мире получили квантовую спутанность двух алмазов при комнатной температуре

Британские физики из Оксфордского университета провели эксперимент, в ходе которого им впервые в мире удалось создать квантовую спутанность двух алмазов, разнесенных на расстояние 15 сантиметров. Кристаллы на протяжении нескольких пикосекунд находились в состоянии, когда они одновременно колебались и не колебались.

Термином квантовая спутанность обозначается взаимосвязь квантовых состояний двух частиц, не находящихся в непосредственном физическом контакте. Так, если одна частица находится в состоянии A, то другая должна быть в состоянии B, и наоборот. Даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга.

До тех пор пока состояние какой-либо частицы ничем не измеряется, она, согласно принципу суперпозиции, может быть одновременно как в состоянии A, так и в состоянии B (а также любом другом состоянии). Но любое измерение приводит к коллапсу суперпозиции в одно из возможных состояний.

В случае, когда две частицы связаны, измерение приводит еще и к тому, что одна из них падает, например, в состояние A, а другая вследствие связи мгновенно переходит в состояние B.

Ранее ученым удавалось квантово спутывать ультрахолодные атомы и группы атомов. Однако при комнатной температуре квантовая спутанность легко разрушается случайным движением атомов. Сложно работать и с объектами, которые можно увидеть невооружённым глазом, так как в этом случае взаимодействует большое количество частиц.

Иэн Уолмсли и его коллеги придумали способ обойти оба ограничения и продемонстрировали на опыте, что действие законов квантовой физики можно наблюдать и в макромире (без дополнительных ухищрений). Статья физиков появилась в журнале Science.

Ученые связали не частицы, а синхронизированные вибрации атомов (фононы) в двух кристаллах алмазов. Фононы – это волнообразные перемещения атомов в кристаллической решётке, которые происходят внутри всех твёрдых тел. Их можно сравнить со звуковыми волнами в воздухе.

Однако, так как алмаз имеет очень жесткую решетку, атомы колеблются в ней с очень высокой частотой и энергией, а потому даже при комнатной температуре подпрыгивания происходят не слишком активно. (По этой причине алмаз часто выбирают для подобных экспериментов.)

Британские физики лазерным импульсом заставили колебаться фононы в двух 3-миллиметровых кристаллах, расположенных на расстоянии 15 сантиметров друг от друга. По данным исследователей, им удалось достичь когерентного взаимодействия около 1016 атомов. Они занимают в кристалле область 0,05 миллиметра шириной и 0,25 миллиметра длиной, то есть такое движение теоретически можно увидеть невооруженным глазом.

Чтобы фононы в алмазах были квантово спутаны, учёным пришлось соблюсти три условия. Первое: фонон возбуждается только одним фотоном лазерного луча. Второе: этот фотон нужно разделить, чтобы он ушел к одному или другому кристаллу. Так как узнать, куда именно он отправился нельзя, то можно считать, что фотон находится в суперпозиции траекторий (как бы движется по обоим направлениям). Тогда и полученный фонон также находится в состоянии квантовой суперпозиции.

И, наконец, третье условие: первоначальный фотон должен часть энергии конвертировать в другой низкоэнергетический фотон, называемый стоксовым (Stokes photon), который бы давал знать о появлении фонона.

"Когда мы ловим стоксов фотон, мы знаем, что был получен фонон, но мы не знаем, в какой алмаз он отправился, - рассказывает Уолмсли. – Возникает спутанное состояние, при котором нельзя считать верным не высказывание, что "этот алмаз колеблется", не утверждение, что этот алмаз не колеблется.

Чтобы проверить, что появляется квантовая спутанность, физики также отправляют второй лазерный импульс в оба кристалла. Он необходим, чтобы считать, что рождается фонон, у которого лазерный фотон отбирает часть энергии.

Учёные из Оксфорда провели огромное количество запусков, но при этом насчитали не так много случаев, когда все условия были соблюдены и нужный результат получен.

Маловероятно, что нынешнее достижение найдет практическое применение в ближайшее время. Слишком уж короткое время держится квантовая спутанность кристаллов (менее 0,35 пикосекунды).

Но Уолмсли настроен оптимистично, пишет Nature News. "Алмазы вполне могут стать основой производительной технологии для обработки квантовой информации. Свойства этих кристаллов позволяют построить с их помощью оптические микросхемы", - говорит Иэн.

Профессор говорит о квантовых компьютерах, которые бы использовали главное преимущество суперпозиции множества возможных состояний перед всего двумя состояниями, кодируемыми современными битами (0 и 1). Такие машины могли бы кодировать гораздо большее количество информации.

А при использовании для передачи данных квантовой криптографии компьютер мог бы сразу узнать о любом вмешательстве извне (ведь любая попытка считать информацию приведет к коллапсу суперпозиции).