Насколько большим может быть объект и при этом действовать как квантовая волна? Теоретически, вообще любого размера.
Ханнес Хаммел для журнала Quanta
Филип Болл
Это всего лишь частичка материи — кусочек кристалла кремнезема размером не больше вируса, левитированный в луче света. Но он почти так же неподвижен, как позволяют законы физики.
Двум группам исследователей из Австрии и Швейцарии независимо друг от друга удалось заморозить такие крошечные наночастицы, всего от 100 до 140 нанометров в поперечнике, почти полностью в их квантовое состояние с наименьшей энергией, эффективно придав им температуру всего на несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля — и зафиксировать их на месте с неземной точностью.
Удержание наночастицы так плотно в одном месте — это только начало. Цель состоит в том, чтобы поместить эти объекты в так называемую квантовую суперпозицию — где становится невозможным сказать, прежде чем измерять их, где они находятся. Частицу в суперпозиции можно найти в одном из двух или более мест, и вы просто не знаете, в каком из них она будет, пока не посмотрите. Это, пожалуй, самый поразительный пример того, как квантовая механика, по-видимому, настаивает на том, что наш знакомый мир объектов с определенными свойствами и положениями возникает только в результате того, что мы смотрим на него.
Хорошо известны суперпозиции субатомных частиц, атомов и безмассовых «частиц» света, называемых фотонами. Но поскольку такие квантовые эффекты, как правило, очень легко нарушаются, когда частицы взаимодействуют со своим окружением, создание суперпозиций быстро усложняется по мере того, как объекты становятся больше и испытывают больше взаимодействий. Эти взаимодействия, как правило, почти мгновенно разрушают суперпозицию и оставляют объект с уникальными, четко определенными свойствами.
Тем не менее, исследователи неуклонно увеличивают размер, при котором все еще можно наблюдать суперпозиции и связанные с ними квантовые эффекты — от частиц до небольших молекул, затем более крупных молекул, а теперь, как они надеются, наноразмерных кусков материи. Никто не знает, как далеко в принципе может продолжаться это расширение квантовости. Существует ли — как думают некоторые — предел размера, при котором он просто исчезает, возможно, потому, что квантовое поведение несовместимо с гравитацией (которая незначительна для атомов и молекул)? Или нет фундаментального предела тому, насколько большой может быть квантовость?
Поделитесь этой статьей + Информационный бюллетень
Получите журнал Quanta с доставкой на ваш почтовый ящик
Наночастица кремнезема была охлаждена до своего квантового основного состояния.
Лоренцо Магрини, Юрий Короли/Венский университет
Эти вопросы возникали на протяжении всей многовековой истории квантовой теории. Теперь, впервые, исследователи находятся на пороге того, чтобы ответить на них — и, возможно, указать путь к описанию того, как гравитация вписывается в квантовый мир. «Я работаю над макроскопическими суперпозициями в течение 10 лет, — сказал специалист по квантовой теории Ориол Ромеро-Изарт из Университета Инсбрука в Австрии, один из лидеров в этой области, — но сейчас мы находимся в очень своевременный момент». В ближайшие годы мы, возможно, узнаем, является ли мир полностью квантовым или нет.
Квантовая частица в суперпозиции, вопреки распространенному мнению, на самом деле не находится в двух (или более) состояниях одновременно. Скорее, суперпозиция означает, что существует более одного возможного результата измерения. Для объекта в повседневных масштабах, описываемого классической физикой, это не имеет смысла — он либо здесь, либо там, красный или синий. Если мы не можем сказать, что это такое, то это просто из-за нашего невежества: мы не смотрели. Но для квантовых суперпозиций просто нет определенного ответа — свойство «положения» плохо определено.
Если, однако, мы видим только один результат или другой, когда смотрим, как мы можем знать, что частица находилась в суперпозиции до того, как мы посмотрели? Ответ заключается в том, что до тех пор, пока мы не попытаемся выяснить, каков результат — до тех пор, пока мы не измерим это свойство, — две (или более) альтернативы, каким-то образом воплощенные в суперпозиции, могут интерферировать друг с другом, как две волны. Это волнообразное поведение воплощено в математической сущности, называемой волновой функцией, которая кодирует все, что мы можем сказать о частице.
Квантовая интерференция наиболее хорошо видна, когда частица проходит через две узко расположенные щели в экране. Если мы не посмотрим, через какую щель проходит частица, то частица будет вести себя во многом как волна на воде, и ее волновая функция будет распространяться через обе щели одновременно, создавая интерференционную картину.
Но если мы поместим измерительное устройство у щели, чтобы сказать нам, прошла ли через нее каждая частица или нет, — чтобы наблюдать путь частицы, — тогда интерференционная картина исчезнет.
Насколько большими могут быть объекты, которые все еще ведут себя как интерферирующие «волны материи»? Квантовый физик Антон Цайлингер и его коллеги из Венского университета изучили этот вопрос в 1999 году с помощью эксперимента с двумя щелями с использованием молекул углерода, называемых фуллеренами (C60 ), состоящий ровно из 60 атомов углерода, соединенных в шестиугольные и пятиугольные кольца, похожие на кожаные заплатки футбольного мяча. Они обнаружили четкую интерференционную картину, демонстрирующую, что даже такие молекулы, как C60 — при диаметре 0,7 нанометра, намного больше и тяжелее, чем отдельный атом, — может быть помещен в суперпозицию.
Возможно, не менее важно, что они продолжили изучать, как исчезла эта суперпозиция.
Взаимодействия между квантовой частицей и соседними частицами, такими как молекулы газа или фотоны, приводят оба объекта в своего рода совместное квантовое состояние. Таким образом, суперпозиция исходной частицы распространяется в окружающую среду.
Подобно капле чернил, рассеивающейся и распространяющейся в стакане воды, эта распространяющаяся суперпозиция делает еще более трудным увидеть исходную, если вы не посмотрите на каждое пятно, в которое она попала, и не восстановите ее на основе этой информации. Поскольку запутанность смешивает волновую функцию начальной наложенной частицы с волновой функцией окружающих ее частиц, волновая функция, по-видимому, теряет когерентность и становится просто массой некогерентных маленьких волн. Этот процесс называется декогеренцией, и он делает суперпозицию необнаружимой в исходном объекте: его квантовая природа, кажется, исчезает.
Высоковакуумная камера интерферометра в лаборатории Маркуса Арндта включает фиолетовое зеркало и наномоторы для перемещения механических решеток.
Группа квантовой нанофизики
Декогеренция квантовой суперпозиции происходит чрезвычайно быстро, если только взаимодействие частицы с окружающей средой не может быть сведено к минимуму — например, путем охлаждения до чрезвычайно низких температур, чтобы уменьшить разрушительное воздействие тепла, и удержания объекта в вакууме для устранения молекулярных столкновений. Чем больше объект, тем больше вероятность его взаимодействия и тем быстрее происходит декогеренция. Для частицы пыли диаметром около 10 микрометров, плавающей в воздухе, состояние суперпозиции двух положений в пространстве, разделенных примерно той же шириной, что и само зерно, по оценкам, декогерируется примерно за 10-31 секунду — меньше, чем время, необходимое лучу света для прохождения ширины протона.
Декогеренция, по-видимому, является главным препятствием для создания квантовых суперпозиций больших объектов, которые длятся достаточно долго, чтобы их можно было наблюдать. Эксперименты с интерференцией с фуллеренами подтвердили эту картину. Венская команда предсказала, что интерференция частиц должна постепенно исчезать по мере того, как они пропускают фоновый газ в камеру, где его молекулы будут сталкиваться с фуллеренами и разрушать когерентность их квантовых волн. Это именно то, что они видели.
Одним из членов команды Цайлингера был Маркус Арндт, который в течение последних двух десятилетий продолжал поиски по расширению масштабов квантовой интерференции. В 2011 году он и его команда создали интерференционные пучки органических молекул на основе углерода, каждая из которых содержит до 430 атомов, размером до 6 нанометров в поперечнике. В 2019 году они сделали это с молекулами примерно из 2000 атомов. Затем в прошлом году они создали интерференционные картины в биологической молекуле — в частности, в природном пептиде, называемом грамицидин А1, — несмотря на то, что эти молекулы хрупки, чтобы выдерживать сложные условия экспериментов с интерференцией молекулярного луча.
Арндт говорит, что его цель — увеличивать массу частиц в 10 раз каждый год или два. Это вскоре позволило бы им приблизиться к размерам и массе биологических объектов, таких как вирусы. Между тем, в 2009 году Ромеро-Изарт, работавший тогда в Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия, и его коллеги набросали идею левитации вирусов в оптической ловушке, где крошечные объекты удерживаются силами, вызванными интенсивными сфокусированными световыми лучами, а затем уговаривают их наложить два вибрационных состояния и искать интерференцию между ними.
Зачем останавливаться на этом? Исследователи даже подумывали о том, чтобы сделать то же самое с однозначно живыми организмами, такими как феноменально крепкие маленькие животные, называемые тардиградами, которые имеют ширину около миллиметра и, как было установлено, выдерживают несколько дней пребывания в открытом космосе. Исследователи написали, что этот план позволит им создать «квантовые состояния суперпозиции во многом в том же духе, что и оригинальный кот Шредингера» — знаменитый мысленный эксперимент, призванный подчеркнуть очевидную абсурдность квантовых суперпозиций для крупных (и особенно живых) существ.
Перспектива воплощения абсурдных идей Шредингера в реальность является одним из оживляющих принципов проекта Q-Xtreme, сотрудничества между группами Маркуса Аспельмейера из Венского университета, Лукаса Новотны и Ромена Квиданта из Швейцарского Федерального технологического института Цюриха и Ромеро-Изарта.
В 2019 году три группы в двух независимых исследованиях сообщили, что они могут охлаждать наночастицы кремнезема диаметром от 100 до 150 нанометров, содержащие около ста миллионов атомов, почти до их квантового состояния с наименьшей энергией (основного), удерживая их в оптической ловушке, создаваемой лазерными лучами.
Затем в прошлом году команда Аспельмейера сообщила, что они еще более полно ввели такие частицы в основное состояние, где колебания кристаллической решетки атомов настолько минимальны, насколько это возможно. При абсолютном нуле частица будет полностью находиться в основном состоянии, и единственным оставшимся движением будет так называемое движение атомов в нулевой точке. В эксперименте Аспельмейера частица находилась в основном состоянии в среднем 70% времени.
Теперь в своих последних экспериментах Аспельмейеру и Новотному удалось избавиться от оптической ловушки, которая влияет на квантовое поведение свободной частицы, так что они могут наблюдать частицу «в дикой природе», так сказать, а не в неволе. Исследователи используют лазерный свет для постоянного измерения положения частицы, затем прикладывают электрическое поле, чтобы подтолкнуть частицу так, чтобы она оставалась в назначенном месте — не путем захвата, а путем мягкого уговаривания. Этот подход «активной обратной связи» подавляет тепловое колебание частицы и охлаждает ее до чрезвычайно низкой температуры.
Группа Аспельмейера утверждает, что разброс в положении их частицы всего в 1,3 раза больше, чем при движении в нулевой точке, что эквивалентно температуре всего в несколько миллионных долей кельвина выше абсолютного нуля. Новотный и его коллеги получили сопоставимое охлаждение с аналогичной установкой.
https://www.quantamagazine.org/how-big-can-the-quantum-world-be-physicists-probe-the-limits-20210818/
Загрузка...
