Сам факт наблюдения за квантовыми системами может перестроить их. Более того, чем больше частиц собрано в группу, тем сложнее произвести «чистое» считывание системы. Коллектив физиков нашел способ следить за крупной квантовой системой больше суток, не влияя на нее.
Квантовые эффекты легко разрушаются от шумов, создаваемых окружением исследуемых объектов. Чтобы минимизировать помехи, физики создают небольшие контролируемые системы, иногда состоящие из пары атомов, которые приходится тщательно изолировать от окружающей среды — охлаждать, помещать в полную темноту и тишину. Крупные системы лучше подходят для практических применений, но в них сложнее сохранять квантовую природу происходящего из-за шумов, связанных с масштабированием объекта изучения.
Исследователи из Университета Джонса Хопкинса (США) разработали подход, значительно упрощающий изучение квантового мира. Созданная ими система работает макроскопическими спиновыми ансамблями, позволяет следить за их эволюцией во времени и напрямую наблюдать флуктуации спинов. Механизм исследования при этом не разрушает квантовые эффекты в системе. Чувствительность подхода настолько высока, что приближается к фундаментальному пределу, установленному законами квантовой механики. Статья об этом опубликована в журнале Nature Physics.
В основе экспериментального устройства лежит сверхпроводящая схема, данные с которой считывает СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерферометр), чрезвычайно чувствительный детектор магнитного поля. Ученые поместили внутрь приемной катушки ядра фтора-19 в тефлоне и ядра водорода в нейлоне, катушку подключили к детектору. Всю систему охлаждали до сверхнизких температур, ниже одного кельвина. Такая установка смогла считывать информацию о спинах в системе через данные о магнитном резонансе без внешнего возбуждения.
Ученые использовали естественные тепловые флуктуации в сверхпроводящей микросхеме в качестве единственной движущей силы. Они настроили магнитное поле так, что частота спинового резонанса совпадала с резонансной частотой схемы. Это позволило исследователям понимать происходящее со спинами по изменению свойств сверхпроводящей схемы.
Измеренные флуктуации спиновых углов точно совпадали с теоретическими расчетами, масштабировались ожидаемым образом в зависимости от числа спинов и их поляризации. Это подтверждает, что ученые увидели именно шум квантовой спиновой проекции, а не паразитные шумы. Наблюдение продолжалось 26 часов.
«Предыдущие эксперименты приходили к той же точности при использовании ячеек с атомным паром, при которых в каждой ячейке находилось около 100 миллиардов атомов. Мы же достигли квантового предела точности на твердом образце с почти пятью секстиллионами (5×10²¹) спинов. Наименьший измеренный угол флуктуации составил всего девять нанорадиан — это чрезвычайно точное измерение. Примерно таков угловой размер человека, стоящего на Луне, если смотреть на него с Земли», — рассказал Александр Сушков (Alexander Sushkov), старший автор статьи.
По мнению ученых, их систему можно использовать для реализации неинвазивной спектроскопии магнитного резонанса, что даст исследовать материалы и не изменяя их свойства воздействием самого исследования. Это важно при работе со взрывоопасными и сверхчувствительными веществами.