Почти сто лет назад, на знаменитой Пятой Сольвеевской конференции 1927 года, началось одно из самых плодотворных и ожесточенных противостояний в истории науки – спор между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором о фундаментальных основах квантовой механики. В основе их разногласий лежал знаменитый мысленный эксперимент о щели с отдачей (recoiling slit), который проверял ключевые принципы неопределенности и дополнительности. Сегодня китайские ученые из Научно-технического университета Китая (USTC) впервые реализовали этот эксперимент на квантовом пределе, используя всего один атом, и получили результаты, которые, по словам рецензентов, стали «учебным примером реализации векового мысленного эксперимента».
Это исследование не просто воссоздало историческую схему, но и достигло самого высокого уровня точности, позволив ученым фактически регулировать квантовые границы реальности.
Идеальная «подвижная щель»
Чтобы разрешить вековой спор, команда исследователей USTC поставила перед собой задачу создать самую чувствительную «подвижную щель» в условиях квантового предела. Вместо обычной физической диафрагмы они использовали нечто куда более изящное и точное: один атом рубидия, захваченный оптическим пинцетом. Этот атом фактически стал той самой подвижной щелью, которая в мысленном эксперименте должна была реагировать на проходящие через нее частицы.
Для достижения квантового предела атом был подготовлен к работе с исключительной точностью. Ученые применили метод охлаждения Рамановскими боковыми полосами, чтобы перевести атом в его трехмерное основное состояние движения. Это позволило снизить неопределенность его импульса до уровня, сопоставимого с импульсом одиночного фотона. Кроме того, благодаря активной обратной связи и технологии фазовой автоподстройки частоты, удалось стабилизировать пути интерференции атомной флуоресценции, контролируя дрожание на наноуровне.
Эйнштейн, Бор и принцип неопределенности
Ключевым моментом в споре был Принцип неопределенности Гейзенберга, который связывает точность измерения положения частицы с точностью измерения ее импульса. Эксперимент USTC позволил напрямую манипулировать этой неопределенностью.
Ученые могли гибко регулировать глубину потенциальной ямы оптического пинцета. Чем сильнее была потенциальная яма (то есть, чем жестче пространственное ограничение для атома), тем шире становилась волновая функция импульса атома в его основном состоянии.
Вот тут и начинается самая интересная квантовая механика:
- Когда одиночный фотон проходит через «атом-щель», он передает атому импульс (отдача).
- Если пространственное ограничение сильное (глубокий пинцет), неопределенность импульса атома высока, что приводит к увеличению перекрытия волновых функций импульса атома после отдачи фотона.
- Увеличение перекрытия, в свою очередь, снижает запутанность между фотоном и атомом.
- Снижение запутанности атома и фотона приводит к повышению контраста интерференции фотона.
Таким образом, ученые наблюдали, как увеличение глубины потенциала (усиление пространственного ограничения) приводит к градиентному изменению контрастности интерференции, что полностью соответствует предсказаниям квантовой механики.
Мост от квантового мира к классическому
Помимо реализации самого мысленного эксперимента, группа исследователей сделала еще один важный шаг – они проследили переход системы от квантового к классическому поведению.
Изначально в эксперименте наблюдалось снижение контрастности интерференции, частично вызванное «классическим шумом», а именно – нагревом атома. Команда смогла откалибровать и устранить влияние этого классического шума, после чего экспериментальные данные идеально совпали с теоретически предсказанным контрастом для атома в идеальном основном состоянии (квантовый предел).
Затем, чтобы увидеть границу, исследователи активно регулировали среднее число фононов (единиц колебательной энергии) атома. Они наблюдали, как увеличение числа фононов вызывало падение контраста интерференции, демонстрируя, как система постепенно переходит от чистого квантового поведения к классическому.
Значение для науки
Эта работа, проведенная аспирантами Чжан Ючэнем, Чэн Хаовэнем и Цзэн Сюйчжаоцю, является знаковым событием, получившим широкую поддержку, включая финансирование от Министерства науки и технологий, Национального фонда естественных наук Китая и Фонда науки New Cornerstone.
Это исследование не просто решило давний спор. Оно ознаменовало собой значительный прогресс в разработке высокоточных квантовых технологий:
- Управление одиночным атомом с высокой точностью.
- Создание запутанности и интерферометрия одиночного атома–одиночного фотона.
Эти достижения заложили надежную основу для будущих разработок, таких как создание крупномасштабных массивов нейтральных атомов, кодирование с коррекцией ошибок на основе сжатых состояний, а также для дальнейшего изучения таких фундаментальных проблем, как декогеренция и упомянутый переход от квантового состояния к классическому.
Как оценили рецензенты, это не просто «красивый эксперимент», а «значительный вклад в основы квантовой механики». Ученые USTC доказали, что идеи, обсуждавшиеся философами науки почти столетие, теперь можно не только смоделировать, но и детально измерить на самом фундаментальном уровне.