Динамику возникновения таких загадочных явлений, как квантовая запутанность, можно вычислить и потенциально измерить в будущем экспериментальным путем на аттосекундных масштабах времени (одна аттосекунда равна миллиардной части миллиардной доли секунды).
Явление, при котором две или более частицы остаются настолько взаимосвязанными, что математическое описание одной невозможно без учета параметров другой, даже если они расположены на большом расстоянии друг от друга, называют квантовой запутанностью. Считается, что частицы запутываются мгновенно, то есть так быстро, что скорость этого процесса едва ли можно осознать — не то что измерить.
Тем не менее международная исследовательская группа из Венского технического университета (Австрия) приблизилась к пониманию того, как именно начинается квантовая запутанность. Команда под руководством Йоахима Бургдёрфера (Joachim Burgdörfer) и Ивы Бржезиновой (Iva Březinová) разработала новые теоретические модели и, решив уравнение Шредингера для атома гелия, применила компьютерное моделирование, чтобы с его помощью подвергнуть атомы воздействию экстремально интенсивного и высокочастотного лазерного импульса.
В результате физики добились ситуации, при которой один электрон вырывался из атома и улетал, в то время как второй изменял свою орбиту вокруг ядра и мог переходить в другое энергетическое состояние. Так исследователи смогли показать, что два электрона становились квантово запутанными: измеряя один, они получали информацию о состоянии другого.
«Это означает, что момент вылета электрона принципиально не определен. Можно сказать, сам электрон не знает, когда покинул атом, и находится в состоянии суперпозиции, то есть покидает атом как в более ранний, так и в более поздний момент времени», — объяснили авторы научной работы.
Напомним, электроны в атоме движутся вокруг ядра по орбиталям: те, что расположены дальше от ядра, обладают большей энергией, а те, что находятся ближе, — меньшей.
Хотя определить точное время вылета первого электрона невозможно, оно связано с состоянием второго: если оставшийся электрон обладает более высокой энергией, то первый, вероятно, покинул атом раньше. Если же второй электрон обладает меньшей энергией, то первый улетел позже, с разницей примерно в 232 аттосекунды (чтобы получить одну аттосекунду, необходимо разделить секунду на миллион три раза подряд).
Таким образом, результаты исследования, представленного в журнале Physical Review Letters, показали, что для полного понимания квантовых эффектов недостаточно считать их мгновенными, поскольку важные корреляции проявляются только на аттосекундных масштабах времени. Однако в будущем эти процессы можно моделировать, вычислять и даже измерять экспериментальным путем.
Статья уже привлекла внимание научного сообщества, а ее авторы сотрудничают с исследовательскими группами, которые стремятся в экспериментах подтвердить описанные в работе выводы — но пока такого подтверждения нет. В любом случае ученые постепенно обретают лучшее понимание ранее недоступных (из-за технологических ограничений) фундаментальных процессов квантовой механики и приближаются к разработке инновационных квантовых технологий.
Автор: Любовь Соковикова