Учёные впервые визуализировали квантовую запутанность

Нынешний эксперимент делает квантовый мир чуть более понятным для обычного человека (иллюстрация Equinox Imagery/Alamy).

Швейцарские физики на новом уровне повторили эксперимент итальянских коллег и впервые в мире доказали, что эффект квантовой запутанности или, как его ещё называют, сцепленности можно наблюдать невооружённым глазом.

При квантовой сцепленности два и более квантовых объекта могут быть связаны таким образом, что при измерениях будет наблюдаться корреляция их свойств, в независимости от того, каким расстоянием разделены частицы. И это с учётом того, что измерения в квантовой механике принципиально носят статистический, вероятностный характер.

Ранее этот эффект наблюдался лишь на микроуровне, и для того, чтобы зарегистрировать произошедшее, приходилось использовать очень чувствительную аппаратуру.

В 2008 году Фабио Шаррино (Fabio Sciarrino) и его коллеги из Римского университета спутали два фотона, а затем «усилили» второй из них, чтобы на выходе получить тысячи фотонов в том же квантовом состоянии.

Получилось будто бы первый фотон, представитель микромира, был связан с макроскопическим объектом — исходящим светом (представляющим поток фотонов).

Недавно этот эксперимент решила повторить группа Николаса Гизина (Nicolas Gisin) из Женевского университета. Однако швейцарцы несколько усовершенствовали его, чтобы на выходе получить визуальное подтверждение квантовой сцепленности.

«Я сразу понял, что человеческий глаз в состоянии увидеть то множество исходящих фотонов», — рассказывает Гизин о первом впечатлении от прочтения работы итальянцев.

Учёные из Женевы также спутали два фотона: один был отправлен в стандартный детектор, второй «превращён» в поток фотонов с одинаковой поляризацией. Таким образом, имела место как бы микро-макро квантовая запутанность.

Николас и его коллеги сели на место второго детектора фотонов и в ходе опытов провели в темноте несколько долгих часов. Установка была собрана так, что световой луч должен был появиться в одном из двух положений, показывающих вид поляризации исходящего излучения. (Позже эксперимент на всякий случай повторили и в присутствии детектора.)

Обе группы физиков использовали стандартный тест Белла (Bell test), чтобы проверить, насколько хорошо коррелирует поляризация первого фотона и светового потока на выходе. Обе получили положительный результат.

Правда, как позже выяснилось, в случае макроскопических объектов верить ему нельзя. Это было доказано во второй части работы швейцарцев. Гизин со товарищи изменили экспериментальную установку таким образом, чтобы состояние второго фотона измерялось перед тем, как он попадал в «усилитель». Соответственно, в момент измерения начальная квантовая спутанность первого фотона и света на выходе нарушалась.

Такая система не должна была пройти тест Белла. Но физики вновь получили положительный результат. В этом можно было бы обвинить детектор (и в том числе человека, глаза которого нельзя назвать точным инструментом). Но истинная причина ошибки теста Белла заключалась в потере части фотонов. Обычно этого не происходит, так как физики, как правило, работают с небольшим количеством частиц.

Но по мере увеличения числа фотонов, уровень таких потерь увеличивается, а тест становится бессмысленным. Соответственно, в независимости от того получили ли итальянцы квантовую запутанность объектов микро и макромира, результат был бы положительным, говорит Николас.

Тем не менее, первая часть швейцарского опыта, по мнению Гизина, показала, что два фотона действительно находились в состоянии сцепленности. И потому такой эффект принципиально можно наблюдать непосредственно.

Сами итальянцы подозревали, что на тест Белла полностью полагаться было нельзя, и теперь планируют подтвердить микро-макро спутанность в новом эксперименте. Второй фотон будет передавать «данные» о квантовом состоянии лазеру, свет которого на этот раз должен быть направлен в детектор. В данном случае человека вместо сенсора поставить не получится, иначе лазер сожжёт ему глаза.

Кстати, посмотрите, как учёные ухитрились визуализировать движение электронов.