Впервые измерена скорость квантовой запутанности

В мире квантовой физики события разворачиваются с поразительной скоростью. Процессы, которые раньше считались происходящими мгновенно, такие как квантовая запутанность, теперь исследуются за мельчайшие доли секунды.

Это все равно, что заморозить мимолетное мгновение, чтобы раскрыть мельчайшие детали, скрытые на виду.

В сотрудничестве с группой исследователей из Китая профессором Йоахимом Бургдорфером и коллегами из Китая Институт теоретической физики В Венском техническом университете мы измеряем эти мимолетные моменты, чтобы понять, как на самом деле происходит квантовая запутанность.

Эти ученые не сосредоточены на существовании квантовой запутанности, но стремятся выяснить, как она начинается – как именно две частицы становятся квантово запутанными?

Понимание квантовой запутанности

Используя передовое компьютерное моделирование, они смогли увидеть процессы, происходящие во временных масштабах аттосекунд – миллиардных долей миллиардной секунды.

Квантовая запутанность — странное и чудесное явление, когда две частицы настолько взаимосвязаны, что находятся в одном состоянии.

Это похоже на две волшебные монеты, которые всегда лежат на одной стороне: переверните одну, и другая таинственным образом покажет тот же результат, даже если они находятся на расстоянии нескольких миль друг от друга.

«Можно сказать, что у частиц нет индивидуальных свойств, а есть только общие свойства. С математической точки зрения они прочно принадлежат друг другу, даже если находятся в совершенно разных местах», — объясняет профессор Бургдорфер.

Это означает, что измерение одной частицы мгновенно влияет на состояние другой частицы, независимо от расстояния между ними.

Проще говоря, запутанные частицы имеют связь, которая позволяет им мгновенно «разговаривать» друг с другом. Измерьте одну частицу, и вы сразу же узнаете что-то о ее партнере.

Это странное поведение бросает вызов нашему повседневному пониманию того, как устроен мир, делая запутанность одной из самых ошеломляющих концепций квантовой физики.

Лазерные и электронные эксперименты

Хотя концепция квантовой запутанности кажется непостижимой, она больше не является предметом споров о том, верна она или нет, и это исследование не об этом.

«Нас же интересует кое-что другое: выяснить, как вообще развивалась эта запутанность и какую роль играют физические эффекты в очень коротких временных масштабах», — говорит профессор Ева Брезинова, одна из авторы исследования. Текущий пост.

Чтобы изучить это, команда изучила атомы, на которые воздействует интенсивный высокочастотный лазерный импульс. Представьте себе, что вы направляете на атом сверхмощный фонарик.

Один из электронов настолько возбуждается, что вырывается на свободу и улетает. Если лазер достаточно мощный, другой электрон внутри атома также подвергается толчку, переходя на более высокий энергетический уровень и меняя свою орбиту вокруг ядра.

Итак, после этой интенсивной вспышки света один электрон отрывается сам по себе, оставляя после себя другой, но не совсем такой, как раньше.

«Мы можем показать, что эти два электрона теперь квантово запутаны», — говорит профессор Бургдорфер. «Вы можете анализировать их только вместе, и вы можете провести измерение одного электрона и одновременно узнать что-то о другом электроне».

Когда время становится размытым

Здесь все становится действительно интересно. Улетающий электрон не имеет определенного момента, когда он покидает атом.

«Это означает, что время рождения улетающего электрона в принципе неизвестно. «Можно сказать, что электрон сам не знает, когда он покинул атом», — отмечает профессор Бургдорфер.

Это так называемая квантовая суперпозиция, что означает, что она существует одновременно в нескольких состояниях.

Но это еще не все. Время ухода электрона связано с энергетическим состоянием оставшегося электрона.

Если оставшийся электрон имеет более высокую энергию, вполне вероятно, что ушедший электрон ушел раньше. Если бы он находился в состоянии с более низкой энергией, электрон, скорее всего, ушел бы позже — в среднем примерно через 232 аттосекунды.

Измерение того, что невозможно измерить

Тотосекунда настолько коротка, что большинство людей не могут ее понять. Однако эти небольшие различия носят не только теоретический характер.

«Эти различия можно не только вычислить, но и измерить с помощью экспериментов», — говорит профессор Бургдорфер.

Команда разработала протокол измерений, который объединяет два разных лазерных луча для фиксации этого неуловимого момента времени.

Они уже сотрудничают с другими исследователями, стремящимися протестировать и контролировать эти сверхбыстрые запутывания в лаборатории.

Почему квантовая запутанность важна?

Понимание того, как формы запутанности могут иметь серьезные последствия для квантовых технологий, таких как криптография и вычисления.

Вместо того, чтобы просто пытаться сохранить запутанность, ученые теперь могут изучать ее начало. Это может привести к появлению новых способов управления квантовыми системами и повышению безопасности квантовых коммуникаций.

Путешествие здесь не заканчивается. Профессор Бургдорфер и его команда с нетерпением ждут следующих шагов.

«Мы уже ведем переговоры с исследовательскими группами, которые хотят доказать такие сверхбыстрые запутывания».

Исследуя эти очень короткие временные масштабы, они не только наблюдают квантовые эффекты, но и переопределяют наше понимание структуры реальности.

Квантовая запутанность и будущее

Понятно, что в квантовом мире даже самые короткие моменты содержат массу информации.

«Электрон не просто выскакивает из атома, это, так сказать, волна, исходящая от атома, и на это требуется определенное время», — объясняет Ева Бреженова.

«Именно на этом этапе происходит запутывание, — заключает она, — и его эффект можно будет точно измерить позже, наблюдая за двумя электронами».

Итак, в следующий раз, когда вы моргнете, помните, что менее чем за триллионную часть этого времени разворачиваются целые квантовые события, раскрывающие секреты, которые могут изменить будущее технологий и наше понимание Вселенной.

Полная версия исследования опубликована в журнале Письма о физическом осмотре.

—–

Понравилось то, что я прочитал? Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать интересные статьи, эксклюзивный контент и последние обновления.

Посетите нас в EarthSnap, бесплатном приложении, созданном Эриком Раллсом и Earth.com.

—–