Квантовые законы действуют для металлических кластеров

Яркое доказательство того, что крошечный фрагмент металла может быть волной

В этом месяце в тихой лаборатории Венского университета (University of Vienna) исследователи направляли пакеты нейтрального натрия — каждый из которых содержал примерно от 5 000 до 10 000 атомов — по метровому каналу транспортировки пучка и наблюдали, как они ведут себя подобно волнам. Кластеры проходили через последовательность полей стоячих ультрафиолетовых волн, которые действовали как невидимые дифракционные решетки; на дальнем конце детекторы фиксировали поразительный полосатый узор в местах прибытия частиц. Эти полосы являются характерным признаком квантовой интерференции: одиночный объект следует более чем по одному пути одновременно и воссоединяется, образуя светлые и темные полосы.

Венский интерферометр и принцип его работы

Полосы, макроскопичность и результаты измерений

На детекторе исследователи сканировали финальную световую маску и подсчитывали, сколько кластеров прошло через каждую позицию. Число зарегистрированных частиц осциллировало в пространстве — четкие светлые и темные полосы, — что соответствовало ожидаемой интерференции при сложении или вычитании амплитуд различных путей. Измеренное расстояние между интерференционными полосами соответствовало пространственному разделению порядка пяти миллионных долей дюйма, что является макроскопическим разделением относительно собственного размера кластеров.

Физики количественно оценивают, насколько сильно эксперимент прощупывает границу между квантовым и классическим мирами, с помощью одного числа, называемого макроскопичностью. Для этих натриевых кластеров показатель достиг примерно 15,5 — что примерно в десять раз выше предыдущих результатов интерферометрии наночастиц. Эта более высокая цифра не делает повседневные объекты квантовыми, но она означает, что эксперимент является гораздо более строгой проверкой гипотез, стремящихся модифицировать квантовую механику на более крупных масштабах.

Ограничение моделей коллапса и квантово-классический раздел

На протяжении десятилетий теоретики предполагали, что нечто — возможно, масса, гравитация или объективный стохастический процесс — заставляет крупные системы прекращать проявлять суперпозицию. Эти модели коллапса добавляют случайные возмущения в уравнение Шрёдингера, так что протяженное, «размазанное» состояние быстро локализуется в один определенный результат. Результат, полученный в Вене, загоняет эти идеи в жесткие рамки: поскольку кластеры оставались в пространственно протяженных суперпозициях, которые явно интерферировали, любой механизм коллапса, действующий на таких масштабах массы и длины, должен быть слабее или работать иначе, чем предсказывают некоторые версии моделей.

Это не доказывает отсутствие масштаба, на котором квантовые правила перестают действовать. Эксперимент демонстрирует, что в условиях экстремальной изоляции и при тщательной подготовке волновое поведение материи сохраняется для гораздо более крупных скоплений атомов, чем принято считать. Вопрос теперь заключается в том, где (если вообще где-либо) пролегает жесткая граница — или же квантовые правила распространяются без четкого предела, будучи ограниченными лишь техническими трудностями, такими как декогеренция.

Как это соотносится с другими недавними квантовыми достижениями

Работа в Вене — это одна из составляющих более широкой и ускоряющейся экспериментальной программы, которая переносит квантовые эффекты на более крупные системы. Группы из Университета Тампере (Tampere University) и сотрудничающих с ними институтов недавно представили первое экспериментальное подтверждение того, что орбитальный угловой момент сохраняется даже при расщеплении одного фотона на пару — строгая проверка законов сохранения на уровне одиночного фотона, ставшая возможной благодаря малошумной нелинейной оптике и чрезвычайно эффективным схемам детектирования. В других местах научные группы подготовили суперпозиции движения в макроскопических резонаторах и кристаллах, а теоретики наметили лабораторные предложения по проверке того, может ли сама гравитация запутывать массивные объекты.

Национальные метрологические лаборатории подчеркивают практическую сторону этого прогресса. Такие ведомства, как Национальный институт стандартов и технологий (NIST), отмечают, что те же методы прецизионного управления, которые позволяют проводить фундаментальные тесты, также закладывают основу для новых технологий: квантовых сенсоров, более точных часов и компонентов для будущих квантовых сетей и процессоров. Короче говоря, эксперименты, зондирующие границы квантовой механики, одновременно являются лабораториями, где куются квантовые инструменты следующего поколения.

Технические и концептуальные вызовы впереди

Путь к более масштабным и сложным суперпозициям лежит через преодоление декогеренции. Любое случайное взаимодействие — с молекулами воздуха, тепловыми фотонами, паразитными электромагнитными полями — уносит информацию о пути и разрушает суперпозицию. Следовательно, масштабирование требует лучшего охлаждения, более чистого вакуума, более деликатных манипуляций и детекторов, способных улавливать крошечные сигналы, не внося новых возмущений.

Дорожная карта: материалы, расстояния и новые испытания

Команда предложила использовать другие материалы — металлы, диэлектрики или композитные частицы, чтобы изучить, как плотность, внутренние степени свободы и структура влияют на интерференцию. Увеличение дистанции полета увеличивает время, в течение которого могут действовать механизмы коллапса, поэтому удлинение базы интерферометра является еще одним прямым способом усилить ограничения. Исследователи также стремятся создать запутанность между пространственно разделенными объектами или объединить массивные суперпозиции с чувствительными силовыми датчиками для поиска гравитационно-опосредованной запутанности — предложенного экспериментального признака квантовой гравитации.

Почему этот результат важен за пределами чистой физики

Помимо концептуального спора о том, накладывает ли природа квантово-классический предел, эти эксперименты важны, потому что они совершенствуют инструменты, лежащие в основе технологий будущего. Улучшение контроля над суперпозицией и декогеренцией способствует прогрессу в области сенсорики, хронометрии и обработки информации — приложений, которые уже находятся на грани коммерциализации. Более того, точные проверки законов сохранения и симметрии на квантовом уровне могут выявить тонкие нарушения или скрытые взаимодействия, важные для протоколов квантовой связи и метрологии.

Наконец, эти результаты формируют то, как ученые формулируют глобальные вопросы. Если квантовое поведение может сохраняться в еще более крупных ансамблях атомов, то линия, разделяющая квантовый и классический миры, может оказаться скорее практическим экспериментальным фронтиром, чем принципиальной космологической стеной. Это смещает задачу с поиска нового правила на освоение квантовых систем достаточно хорошо, чтобы проектировать их в промышленных масштабах.

Интерференция кластеров в Вене, тесты сохранения одиночных фотонов и эксперименты по помещению кристаллов и резонаторов в состояние суперпозиции в совокупности знаменуют период, когда фундаментальная физика и прикладная квантовая инженерия развиваются в тандеме. Каждая веха ужесточает теоретические рамки и расширяет практические возможности, делая неуловимое пересечение квантовых странностей и повседневных масштабов более четким и доступным для экспериментального изучения.

Источники

• arXiv (препринт по интерферометрии наночастиц)
• Physical Review Letters (сохранение углового момента на уровне одиночного фотона)
• Венский университет (исследовательская группа Арндта)
• Университет Тампере (эксперимент с орбитальным угловым моментом фотона)
• Национальный институт стандартов и технологий (NIST)