Физики из Университета Базеля и Национального Университета Сингапура продемонстрировали нарушение многочастичных неравенств Белла для крупной системы сжатых спинов, состоящей из 480 атомов рубидия. Ранее были известны аналогичные эксперименты лишь с десятками частиц. По словам авторов, эксперимент показывает, что крупные коррелированные системы можно использовать для работы с квантовой информацией наравне. Одно из их возможных приложений — эффективная генерация случайных величин. Исследование опубликовано в журнале Science, также доступен препринт работы.
Неравенства Белла, в простейшем случае, представляют собой ограничение на связь между результатами двух измерений, проводимых в разных точках пространства. Они порождены принципом локальности, запрещающим одной системе моментально влиять на физическую реальность другой системы. Проиллюстрировать их работы можно на примере измерений квантовых свойств двух частиц, к примеру, поляризации фотонов или спинов фермионов.
В одном из мысленных экспериментов неравенства Белла указывают на то, что измеряя разные проекции поляризации у двух частиц, рожденных в одном процессе, мы получим совпадения экспериментов как минимум в трети случаев. На практике же совпадения наблюдаются лишь в 25 процентах измерений. Это указывает на то, что состояния частиц скоррелированы сильнее, чем это можно объяснить «договоренностью» о поведении в экспериментах (внутренними параметрами). Это пример нарушения принципа локальности, при котором состояние одной частицы может моментально влиять на исход измерения свойств другой частицы.
Физики-теоретики расширили неравенства Белла и на многочастичный случай — когда скоррелированными оказываются сразу много частиц. Такие системы ближе к макроскопическому миру, однако до сих пор нарушения локальности и белловские корреляции удавалось обнаружить лишь в системах из 14 ионов, четырех фотонов, пар атомов и пар кубитов. Одна из сложностей поиска таких связей состоит в том, что экспериментаторы измеряют глобальные свойства систем и их необходимо каким-то способом перенести на свойства компонентов системы.
В новой работе ученые значительно увеличили количество частиц в исследуемой системе. Авторы поймали в магнитную ловушку около полутысячи холодных атомов рубидия, после чего, с помощью лазера сформировали в них особое спиновое сжатое состояние. В этом состоянии направление «оси вращения» частицы может колебаться лишь внутри очень вытянутого эллипса (обычно спины описывают окружности в магнитном поле). Затем атомам позволили сталкиваться друг с другом — это влияло на их внутренние состояния и именно так рождалась «квантовая связь» между частицами. После этого, опять таки с помощью лазерных импульсов физики измеряли коллективный спин системы.
Авторы изменили формулировку многочастичного неравенства Белла для предложенного эксперимента. Его измененная версия показывала, что определенная функция, зависящая от коллективного спина и пары векторов, описывающих сжатое состояние спинов, должна быть больше нуля. Данные исследования показали, что при определенных условиях это условие нарушалось со значимостью 3,8 сигма, что свидетельствует о том, что система скоррелирована сильнее, чем то допускает классическая физика.
Алексей Рубцов, руководитель группы сильно-коррелированных квантовых систем Российского Квантового Центра, отмечает, что полученная статистическая значимость — очень неплохой результат для такого рода экспериментов. По словам физика, выбор холодных атомов рубидия для эксперимента позволил эффективно бороться с декогеренцией.
По словам физиков, новая работа открывает новые возможности для количественного анализа нарушения нелокальности в системах, подобно тому, как количественно можно описывать степень запутанности частиц. Кроме того, предложенная система может использоваться в генерации достоверно случайных величин — этот процесс уже был описан для пар кубитов, но для многочастичных объектов он может оказаться более эффективным.
Владимир Королёв
Обнаружены свидетельства того, что жизнь на Земле существовала 3,95 миллиарда лет назад. Получить их группе японских ученых удалось с помощью анализа изотопного состава углерода в графитовых и карбонатных минералах эоархея с полуострова Лабрадор. Это наиболее раннее достоверное свидетельство наличия жизни, возраст предыдущих был примерно на 200 миллионов лет меньше. Исследование опубликовано в Nature.