Физики из Национальной лаборатории в Брукхейвене (Brookhaven National Laboratory, BNL) открыли совершенно новый тип квантовой запутанности, достаточно известного явления, связывающего квантовые частицы. И этот новый вид запутанности уже был использован на практике во время экспериментов на коллайдере для изучения процессов и явлений, происходящих внутри ядер атомов.

При определенных условиях две частицы могут обрести невидимую связь, соединяющую их на любом расстоянии, которое теоретически может быть бесконечно большим. Изменение квантового состояния одной из частиц приведет к моментальному изменению состояния второй запутанной частицы. С точки зрения классической физике квантовая запутанность является невозможной, и даже Альберт Эйнштейн назвал ее «призрачным действием на расстоянии». Но, несмотря на все, квантовая запутанность уже используется несколько десятилетий в различных экспериментах, она лежит в основе работы квантовых вычислительных технологий и коммуникаций.

Обычно в экспериментах с квантовой запутанностью используются пары фотонов, электронов или некоторых других частиц одного вида. То, что делает открытие ученых из BNL выделяющимся, это то, что они обнаружили запутанные напрямую две частицы разного типа.



Открытие было сделано при помощи коллайдера RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), внутри которого проводятся исследования форм материи, существовавшей во Вселенной в самые первые периоды времени. Для этого в недрах коллайдера RHIC разгоняются и сталкиваются друг с другом ионы золота. Но ученые обнаружили, что даже когда ионы не попадают друг в друга и проходят мимо, то происходит нечто весьма интересное, из которого можно почерпнуть некоторое количество научных данных.

Ускоренные ионы золота в коллайдере окружены небольшими облаками фотонов, и когда два фотона проходят мимо друг друга, то в фотонах первого иона начинают отображаться элементы внутренней структуры второго иона. При этом, отображение происходит со столь высоким уровнем детализации, что единственным объяснением тому может быть только действие совершенно новой формы квантовой запутанности.

Фотоны взаимодействуют с элементарными частицами ядра каждого иона, что приводит к появлению каскада вторичных частиц, конечными из которых являются две частицы, называемые пионами, один с отрицательным, а второй — с положительным зарядом. Так, как некоторые из частиц в квантовом мире могут быть описаны как волны, то волны двух или большего количества положительных пионов складываются, то же самое происходит и с волнами отрицательных пионов. В результате имеется всего одна, но сильная, волновая функция положительного пиона, и одна — отрицательного пиона, которые и попадают в область чувствительности датчиков.



Анализ полученных данных показывает, что в каждой из пар положительный и отрицательный пионы запутаны друг с другом. Если бы этого не было, то волновые функции, регистрируемые датчиками, были бы случайны и представляли собой шум. И поэтому данный случай является первым случаем наблюдений прямой квантовой запутанности двух различных частиц.

«Исследованные нами пионы во многом схожи друг с другом, но они являются носителями противоположного электрического заряда, поэтому они являются разными частицами» — пишут исследователи, — «И мы видим, что эти частицы запутаны друг с другом, они постоянно синхронизируются, невзирая на имеющиеся в их природе различия».

Данное открытие, во-первых, значительно расширяет наше понимание квантовой механики и загадочных квантовых явлений. А во-вторых, новый вид квантовой запутанности может лечь в основу ряда новых технологий, подобных методу, при помощи которого ученые из BNL исследовали внутренне строение ядра атома золота.

источник