Физики сфотографировали квантовую запутанность
Шотландские ученые получили первое в мире изображение запутанных фотонов в момент неопределенности их физических состояний. Исследование опубликовано в Science Advances.
Квантовая запутанность — феномен, при котором квантовые состояния нескольких частиц оказываются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между ними. Это явление применяется в квантовой телепортации, криптографии и компьютерных технологиях. Эйнштейн с коллегами показали, что если квантовая механика полностью бы отражала реальность, то знания о состоянии одной части запутанной системы автоматически определяют состояние другой части. Получается, что информация в таком случае передается быстрее скорости света, что невозможно по законам классической физики.
В квантовой механике частицы одновременно являются и волнами без определенного положения в пространстве. Только когда появляется наблюдатель, системе приходится принять одно определенное квантовое состояние. Запутанные же частицы влияют на выбор состояния друг друга, даже если между ними больше тысячи километров.
От редактора
Наш читатель Марат Хамадеев в комментариях в социальных сетях подчеркнул необходимость обратить внимание на саму значимость работы. Экспериметально доказать квантовую запутанность частиц можно проверив выполнение неравенств Белла, которые предполагают наличие скрытых параметров, определяющих состояние, которое примет одна из частиц, и результаты эксперимента можно предсказать. В том случае, если они не выполняются, частицы можно считать запутанными. Эксперименты, которые доказали нарушение неравенств Белла уже не раз проводили, в основном проверяя соответсвие поляризаций фотонов, но иногда и со спинами электронов. В настоящей работе ученым удалось собрать установку для призрачной визуализации доказательства нарушения неравенств по орбитальным угловым моментам фотонов закрученного света.
Поль-Антуан Моро (Paul-Antoine Moreau) с коллегами из Университета Глазго разделили пары запутанных фотонов, один направили сквозь жидкий кристалл, который играл роль пространственного модулятора света и изменял фазу фотонов, а другой — сразу на детектор. Камера зафиксировала изображения всех фотонов в момент, когда они претерпевали одни и те же превращения, хотя и были разделены в пространстве. То есть в момент квантовой запутанности.
Сверхчувствительная камера была способна фиксировать единичные фотоны и делать снимки только в тот момент, когда на детекторы попадала пара запутанных фотонов. Помимо четырех отдельных изображений пар, которые проходили через четыре разных фильтра, авторы работы получили одну фотографию со всеми четырьмя вариантами изменения фазы.
Результаты эксперимента подтолкнут развитие технологий получения изображений квантовых явлений, что в свою очередь, приблизит ученых к пониманию этих процессов и их дальнейшему применению.
Хотя запутанность уже используется в квантовых технологиях, изображение этого эффекта ученые получили впервые. Однако увидеть невооруженным глазом квантово-запутанные частицы уже было можно, когда физики предложили схему такого эксперимента.
Алина Кротова
Это первый легкий металл, в котором его удалось обнаружить
Физики впервые зафиксировали орбитальный эффект Холла в легком металле. Для этого они измерили угол изменения направления света при прохождении через титан, который использовали в качестве образца из-за высокой проводимости. Открытие поможет уточнить механизм поведения металлов в магнитном поле, сообщают ученые в Nature. Если проводник с током находится во внешнем магнитном поле, то кроме классического эффекта Холла (возникновение разности потенциалов при протекании тока, перпендикулярного полю) в нем можно увидеть еще две разновидности этого явления: спиновый и орбитальный эффекты Холла. В первом случае из-за разницы в электронной проводимости электронов образуется поток спина: электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным сторонам проводника. А во втором — поток орбитального момента: он возникает благодаря действию на электроны силы Лоренца и направлен перпендикулярно току. Ранее считалось, что именно спиновый эффект преобладает в твердых телах с ненулевым значением спин-орбитального взаимодействия. При этом орбитальный эффект не требует спин-орбитального взаимодействия и потому более распространен: для легких металлов (металлы с небольшой плотностью, например алюминий, олово, титан и другие) орбитальная холловская даже превышает спиновую. Однако орбитальный эффект влияет на магнитные свойства металла только косвенно, причем изменения эти настолько малы, что зафиксировать их не удается. Чтобы преодолеть эти ограничения и разглядеть орбитальный эффект Холла в легком металле, физики из Южной Кореи под руководством Хён У Ли (Hyun-Woo Lee) предложили измерять его косвенно — по углу керровского поворота, который характеризует угол наклона плоскости поляризации света при прохождении через материал. Орбитальные токи Холла меняют показатель преломления материала, и, следовательно, угол керровского поворота. В качестве объекта исследования был выбран легкий металл титан — благодаря большой орбитальной кривизне Берри у него текстурированная структура поверхностей Ферми, что, согласно расчетам, должно приводить к очень высокой орбитальной холловской проводимости. С помощью оптической спектроскопии ученым удалось уловить эти изменения — на основании данных спектроскопии они построили график зависимости угла керровского поворота от плотности тока в титане. Зависимость оказалось линейной: чем больше модуль плотности тока, тем больше изменение угла, что подтвердило наличие орбитального эффекта Холла. Его величину ученые определяли по значению эффективной орбитальной холловской проводимости. Оно составило 130h/e обратных ом, это почти в 30 раз меньше расчетной. Причины несоответствия установить не удалось, но ученые собираются провести дополнительные исследования. Несмотря на расхождение с теорией, полученные результаты не только подтвердили наличие орбитального эффекта, но и показали, что именно из-за него в легких металлах возникает и спиновый эффект Холла. То есть чтобы предсказать поведение металлов в магнитном поле, учитывать этот эффект обязательно. У эффекта Холла существует несколько различных механизмов, и каждый из них тщательно исследуется учеными. Например, физики уже изучили, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла и придали ультрахолодным атомам дробное квантовое состояние Холла.