Ученые из Токийского университета сделали впечатляющий шаг вперед в квантовой физике, продемонстрировав так называемое квантовое сжатие для наночастицы, парящей в воздухе. Эта крошечная частица показала движение, неопределенность которого оказалась меньше обычных квантово-механических флуктуаций — того самого «предела», который долгие десятилетия считался непреодолимым. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
В основе открытия лежит фундаментальный принцип квантовой механики — неопределенность. На микроскопическом уровне невозможно точно измерить одновременно положение и скорость частицы: они всегда «колеблются», даже в состоянии минимальной энергии. Эти флуктуации называют нулевыми колебаниями. Квантовое сжатие позволяет уменьшить эту неопределенность, создавая состояния более узкие, чем привычный квантовый предел. Применяя метод к наночастицам, исследователи смогли построить платформу для изучения квантовых эффектов в объектах, которые заметно больше атомов, но все еще крошечные по сравнению с привычными предметами.
Руководитель эксперимента Киётака Айкава пояснил:
«Квантовая механика прекрасно работает с фотонами и атомами, но до сих пор мало известно, насколько законы квантовой физики справедливы для объектов больших размеров. Нам нужен был объект, который бы находился между микромиром и нашими привычными предметами, чтобы проверить это».
В качестве такого объекта ученые выбрали стеклянную наночастицу, подняв ее в вакууме с помощью сфокусированного лазера. Здесь частица охладилась почти до минимально возможного уровня энергии.
Чтобы зафиксировать движение наночастицы, исследователи тщательно настраивали условия ловушки, а затем ненадолго отпускали ее. Наблюдения показали: при правильной синхронизации времени распределение скоростей частицы оказалось уже, чем ожидалось в обычном квантовом состоянии.
«Это безошибочный признак квантового сжатия», — отметил Айкава.
Создание такой платформы оказалось крайне сложной задачей. Левитирующие наночастицы крайне чувствительны: даже малейшие колебания окружающей среды могут разрушить эксперимент.
«Мы потратили годы, чтобы найти стабильный режим, и были поражены, насколько тонкая настройка нужна для работы системы», — говорит Айкава.
Именно эта деликатность делает платформу уникальной и мощной для исследования перехода между классической и квантовой механикой.
По словам ученых, сверхчувствительные квантовые датчики на основе этого принципа смогут измерять параметры с точностью, недоступной традиционным приборам. Это открывает возможности для медицинских исследований, геологии, связи и даже навигации в местах, где спутниковые сигналы недоступны.
Ученые подчеркивают, что это только первый шаг. Теперь они смогут изучать, как квантовые эффекты проявляются в больших масштабах, и создавать новые квантовые устройства, тестируя их на изолированной левитирующей частицы. По сути, наночастица превращается в миниатюрную лабораторию, где проверяются границы законов физики.
«Мы стоим на пороге нового понимания квантового мира», — резюмировал Айкава.«Наши эксперименты показывают, что можно выйти за привычные границы микромира и заглянуть в странный, но увлекательный макроквантовый мир».
Физики создали первый в истории видимый временной кристалл
Квантовый компьютер на фотонах впервые достиг квантового превосходства
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram