Найдено доказательство теоремы Пуанкаре для квантовой системы

В конце XIX века французский ученый Анри Пуанкаре изучал системы, которые не могут быть полностью проанализированы. Например, звездные системы или натыкающиеся друг на друга частицы газа. По его мнению, если подождать достаточно долго, то планеты обязательно сформируют прямую линию, а частицы газа после вмешательства вернутся в исходное состояние.

Аналогичная теорема может быть применена и для квантовых систем, однако в ней действуют совсем другие правила. «В квантовой физике мы должны придумать совершенно новый способ решения этой проблемы, — говорит профессор Йорг Шмидмайер из Института атомной и субатомной физики. — По очень фундаментальным причинам состояние большой квантовой системы, состоящей из многих частиц, никогда не может быть идеально измерено. Кроме того, частицы не могут рассматриваться как независимые объекты, мы должны учитывать, что они являются квантово-механически запутанными».

Ученые уже делали попытки продемонстрировать эффект «повторения Пуанкаре» в квантовых системах, но до сих пор это было возможно только при очень небольшом числе частиц, состояние которых было измерено как можно точнее. Это чрезвычайно сложно, и время, необходимое системе для возврата в исходное состояние, резко возрастает с увеличением количества частиц. Однако команда Йорга Шмидмейерса выбрала другой подход.

«Мы не очень заинтересованы в полном внутреннем состоянии системы, а скорее в отдельных ее частицах, — говорит один из авторов исследования Бернхард Рауэр. — Мы хотим понять, есть ли времена, когда эти коллективные величины возвращаются к их первоначальному значению»?

Команда изучила поведение ультрахолодного газа, состоящего из тысяч атомов, который удерживается на месте электромагнитными полями на чипе. «Существует несколько разных величин, описывающих характеристики такого квантового газа, например длины когерентности в газе и корреляционные функции между различными точками в пространстве, — говорит Себастьян Эрне, который отвечал за теоретические расчеты, необходимые для проекта. — Эти параметры говорят нам, насколько тесно связаны частицы с помощью квантовых механических эффектов. Наша повседневная интуиция не используется для решения этих величин, но для квантовых систем они имеют решающее значение».

Измеряя такие величины, которые не относятся к одиночным частицам, но характеризуют систему в целом, действительно можно было наблюдать долгожданное квантовое возвращение. «С нашим атомным чипом мы можем даже повлиять на время, когда система вернется в одно конкретное состояние, — говорит Шмидмайер. — Измеряя такой повтор, мы много узнаем о коллективной динамике атомов —например, о скорости звука в газе или о явлениях рассеяния волн плотности».

Ученые выяснили, что квантовые состояния действительно возвращаются, но концепцию повторения нужно немного переопределить. Вместо того, чтобы пытаться отобразить полное внутреннее квантовое состояние системы, которое никак не может быть измерено, имеет смысл сосредоточиться на величинах, которые можно измерить в квантовых экспериментах. Наблюдаемые величины могут отходить от их первоначального значения и в конечном итоге возвращаться в исходное состояние.

Российско-британская группа физиков разработала сверхпроводящий детектор квантовых состояний, способный засекать магнитные поля при сверхнизких температурах. Открытие приближает момент создания работающего квантового компьютера.