Физики провели самое масштабное испытание парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена

В ходе самого масштабного теста на сегодняшний день физики исследовали главный парадокс квантовой механики и обнаружили, что он сохраняется даже для облаков из сотен атомов.

Используя два запутанных конденсата Бозе-Эйнштейна, каждый из которых состоит из 700 атомов группа физиков под руководством Паоло Колчиаги и Ифань Ли из Базельского университета в Швейцарии показала, что парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) увеличивается.

Исследователи говорят это имеет важные последствия для квантовой метрологии — исследования измерения вещей в рамках квантовой теории.

«Наши результаты представляют собой первое наблюдение парадокса ЭПР с пространственно разделенными массивными системами многих частиц», — пишут исследователи в их статья.

«Они показывают, что конфликт между квантовой механикой и локальным реализмом не исчезает, когда размер системы увеличивается до более чем тысячи массивных частиц».

Хотя мы довольно хорошо математически описывая Вселенную, наше понимание того, как все работает, в лучшем случае фрагментарно.

Один из инструментов, который мы используем, чтобы закрыть один из пробелов, — это квантовая механика, теория, возникшая в начале 20-го века. века, отстаиваемый физиком Нильсом Бором, за описание того, как ведет себя атомная и субатомная материя. В этом крошечном царстве классическая физика терпит крах; когда старые правила больше не действуют, необходимо создавать новые правила.

Но квантовая механика не лишена недостатков, и в 1935 году трое известных физиков обнаружили значительную дыру. Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен описали знаменитый парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена.

Ничто не может двигаться быстрее света, верно? Но это становится немного сложнее с квантовой запутанностью, которую Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии». Здесь вы соотносите две (или более) частицы так, чтобы их свойства были связаны; если одна частица, например, крутится в одну сторону, то другая крутится в другую.

Эти частицы сохраняют эту связь даже на больших расстояниях, и непонятно как и почему. Ученые знают, что если вы измерите свойства одной частицы, вы сможете сделать вывод о свойствах другой даже на таком расстоянии.

Однако согласно квантовой механике частица не будет обладать этими свойствами до тех пор, пока вы не измерить ее (причуда, обнаруженная в мысленном эксперименте с котом Шредингера).

И согласно квантовой механике, если вы знаете одно свойство частицы, например ее положение, вы не можете знать другое, например его импульс, с какой-либо уверенностью. Это принцип неопределенности Гейзенберга.

Классическая физическая концепция локального реализма также утверждает, что для того, чтобы объект или энергия воздействовали на другой объект, они должны взаимодействовать.

Парадокс ЭПР, следовательно, является сложным. Когда вы измеряете одну частицу в запутанной системе, это измерение каким-то образом влияет на другую частицу, даже если измерение не происходит локально.

Вы также знаете о частицах больше, чем позволяет неопределенность Гейзенберга. принцип. И каким-то образом это влияние происходит мгновенно, игнорируя скорость света.

Поэтому парадокс ЭПР предполагает, что квантово-механическая теория неполна; он не полностью описывает реальность вселенной, в которой мы живем. Джон Стюарт Белл).

До сих пор каждый проведенный тест Белла показал, что реальный мир ведет себя несовместимым с локальным реализмом образом. Но насколько глубок этот парадокс?

Ну, именно здесь мы подходим к конденсату Бозе-Эйнштейна, состоянию материи, созданному охлаждением облака бозонов до доли выше абсолютного нуля. При таких низких температурах атомы погружаются в самое низкое из возможных энергетическое состояние, не останавливаясь полностью.

Когда они достигают этих низких энергий, квантовые свойства частиц больше не могут мешать друг другу; они движутся достаточно близко друг к другу, чтобы как бы перекрываться, в результате чего образуется облако атомов высокой плотности, которое ведет себя как один «суператом» или волна материи.

Колчиаги, Ли и их коллеги-физики Филипп Трейтлейн и Тилман Зибольд, также из Базельского университета, сгенерировал два конденсата Бозе-Эйнштейна, используя два облака, каждое из которых состоит из 700 атомов рубидия-87. Они разделили эти конденсаты в пространстве на расстояние до 100 микрометров и измерили свойства.

Они измерили квантовые свойства конденсатов, известные как псевдоспины, независимо выбирая, какое значение измерять для каждого облака.

Они обнаружили, что свойства двух конденсатов, по-видимому, коррелируют таким образом, что это нельзя объяснить случайностью, демонстрируя устойчивость парадокса ЭПР в гораздо большем масштабе, чем предыдущие тесты Белла.

Последствия выводы команды в значительной степени относятся к будущим квантовым исследованиям.

«Наш эксперимент особенно подходит для приложений квантовой метрологии. Например, можно использовать одну из двух систем в качестве небольшого датчика для исследования полей и силы с высоким пространственным разрешением, а другой — в качестве эталона для уменьшения квантового шума первой системы», — пишут исследователи в своей статье.

«Демонстрация ЭПР-запутанности в сочетании с пространственным разделением и Таким образом, индивидуальная адресация вовлеченных систем важна не только с фундаментальной точки зрения, но и обеспечивает необходимые ингредиенты для использования ЭПР-запутанности в системах многих частиц в качестве ресурса».

Теперь выпейте чашечку. чая и посиделок. Вы это заслужили.

Исследование опубликовано в Physical Review X.