Иногда квантовые частицы ведут себя как волны. Это явление часто используется для высокоточных измерений, например, в атомных часах. Обычно роль играют только волновые свойства отдельных частиц, но теперь исследователям Венского центра квантовой науки и технологий Венского технологического университета удалось квантово-механически управлять сотнями атомов рубидия в ультрахолодном конденсате Бозе-Эйнштейна путем встряхивания. это в правильном направлении. Теперь для интерферометрических измерений можно использовать не только внутренние состояния атомов, но и коллективное двигательное состояние всех частиц.
Суперпозиции разных состоянийСогласно квантовой теории, некоторые физические величины могут иметь только определенные дискретные значения.
Если, например, измеряется энергия электрона внутри атома, он всегда находится в особых энергетических состояниях — другие значения энергии просто недопустимы. То же самое и с движением частиц, если они ограничены небольшими пространствами.
«Мы улавливаем сотни атомов рубидия в магнитную ловушку и охлаждаем их, чтобы они образовали ультрахолодный конденсат Бозе-Эйнштейна», — говорит профессор Йорг Шмидмайер из Института атомной и субатомной физики Венского технологического университета. «Этот конденсат Бозе-Эйнштейна движется как гигантская волна материи». Однако законы квантовой физики допускают не все виды движения, а только определенный набор возможных волн движения.
Различные волновые состояния«Это немного похоже на игру на флейте», — говорит Сандрин ван Франк. «Когда вы дунете в него, создается звуковая волна. Если вы дунете сильнее, вы можете создать высокий обертон». Однако в квантовой физике одновременно могут возбуждаться разные состояния.
С точно настроенным электромагнитным импульсом, разработанным в сотрудничестве с профессором Томмазо Каларко из Института квантовой информации Univ. Ульм, конденсат Бозе-Эйнштейна можно встряхнуть, так что он не только займет одно из возможных состояний движения, но и два одновременно.Такая суперпозиция состояний — вполне нормальное явление в квантовой физике. Удивительно то, что система с сотнями атомов и множеством степеней свободы — в квантовом выражении нечто невероятно огромное — может быть приготовлена в таком состоянии суперпозиции.
Обычно квантовые суперпозиции чрезвычайно хрупки. Чем больше объект, тем легче разрушить квантовые свойства суперпозиции разрешенных квантовых состояний — явление, называемое «декогеренцией».
Сегодня декогеренция считается самой сложной проблемой для развития новых квантовых технологий, таких как квантовый компьютер.«После того, как мы встряхнули конденсат с помощью импульса, он совершает (демонстрирует) два различных колебательных движения одновременно», — говорит ван Франк. «Через некоторое время мы встряхиваем конденсат второй раз, рекомбинируя два наложенных друг на друга движения». Какой из двух возможных видов движения преобладает в конечном итоге, зависит от временной задержки между двумя импульсами и от квантовой фазы суперпозиции. Такая последовательность импульсов известна как «последовательность Рамсея» и используется для высокоточных измерений во многих областях.
Теперь этот прием был успешно перенесен на многочастичные состояния конденсата Бозе-Эйнштейна.Правильный ударДля управления системой было крайне важно найти именно тот импульс, с которым необходимо встряхивать конденсат.
Предполагается, что он обеспечивает переход между двумя состояниями вибрации, которые должны быть наложены друг на друга, но он не должен создавать никаких других возможных состояний. Исключение всех остальных состояний оказалось решающим для подавления нежелательного эффекта декогеренции.
«Наш результат доказывает, что колебательные состояния сотен атомов могут быть использованы для квантовых экспериментов», — говорит Шмидмайер. Эти состояния можно использовать для хранения информации, а однажды, возможно, даже для проведения расчетов. Замечательная стабильность этих состояний также дает представление о феномене декогеренции больших систем, состоящих из многих частиц, — чрезвычайно плодотворной области исследований.
На следующем этапе будут изучены не только колебания, но и вращательные состояния конденсата Бозе-Эйнштейна. В квантовом мире возможно и то, и другое одновременно: встряхнуть И перемешать.