Эксперты Боннского университета объяснили принцип нового эксперимента на простом примере. Предположим, вы наблюдаете за официантом, который в канун Нового года должен подать целый поднос с шампанским всего за несколько минут до полуночи. Он несется от гостя к гостю на максимальной скорости. Благодаря отработанной за долгие годы работы технике ему все же удается не пролить ни капли напитка.
В этом ему помогает небольшая хитрость: пока официант ускоряет шаги, он немного наклоняет поднос, чтобы шампанское не вылилось из бокалов. На полпути к столу он наклоняет его в противоположную сторону и замедляет ход. Только когда он полностью остановится, он снова держит его в вертикальном положении.
Атомы чем-то похожи на шампанское. Их можно описать как волны материи, которые ведут себя не как бильярдный шар, а как жидкость. Таким образом, любой, кто хочет перенести атомы из одного места в другое как можно быстрее, должен быть таким же искусным, как официант в канун Нового года. «И даже в этом случае существует ограничение скорости», — объясняет доктор Андреа Альберти, возглавлявшая это исследование в Институте прикладной физики Боннского университета.
В своем исследовании ученые экспериментально выяснили, где именно находится этот предел. Они использовали атом цезия в качестве заменителя шампанского и два лазерных луча, идеально наложенных друг на друга, но направленных друг против друга. Эта суперпозиция, которую физики называют интерференцией, создает стоячую световую волну: похоже на последовательность «гор» и «долин», которые изначально не двигаются. «Мы загрузили атом в одну из этих долин, а затем привели в движение стоячую волну — это сместило положение самой долины, — объясняет Альберти. — Наша цель состояла в том, чтобы доставить атом в нужное место в кратчайшие сроки, не выплескивая его из «долины»».
То, что в микромире существует ограничение скорости, было теоретически продемонстрировано двумя советскими физиками Леонидом Мандельштамом и Игорем Таммом более 60 лет назад. Они показали, что максимальная скорость квантового процесса зависит от неопределенности энергии. По сути, от того, насколько «свободна» управляемая частица по отношению к ее возможным энергетическим состояниям: чем больше у нее энергетической свободы, тем она быстрее. В случае переноса атома, например, чем глубже «долина», в которой захвачен атом цезия, тем больше разброс энергий квантовых состояний в долине и, в конечном итоге, тем быстрее он может переноситься. Нечто подобное можно увидеть на примере официанта: если он наполняет стаканы только наполовину, он меньше рискует пролить шампанское при ускорении и замедлении. Однако энергетическая свобода частицы не может быть увеличена произвольно. «Мы не можем сделать нашу «долину» бесконечно глубокой — на это ушло бы слишком много энергии», — подчеркивает Альберти.
Ограничение скорости Мандельштама и Тамма — принципиальное ограничение. Однако достичь этого можно только при определенных обстоятельствах, а именно в системах только с двумя квантовыми состояниями. «В нашем случае, например, это происходит, когда пункт отправления и пункт назначения очень близки друг к другу, — объясняет женщина-физик. — Тогда материальные волны атома в обоих местах перекрываются, и атом может быть доставлен прямо к месту назначения за один раз, то есть без каких-либо промежуточных остановок».
Однако ситуация меняется, когда расстояние увеличивается до нескольких десятков значений ширины волны материи, как в Боннском эксперименте. На эти расстояния прямая телепортация невозможна. Вместо этого частица должна пройти несколько промежуточных состояний, чтобы достичь конечного пункта назначения: двухуровневая система становится многоуровневой. Исследование показывает, что к таким процессам применяется более низкий предел скорости, чем предсказывали два советских физика. Дело в том, что он определяется не только неопределенностью энергии, но и числом промежуточных состояний. Таким образом, новая работа улучшает теоретическое понимание сложных квантовых процессов и их ограничений.
Выводы физиков важны не в последнюю очередь для квантовых вычислений. Вычисления, которые возможны с помощью квантовых компьютеров, в основном основаны на манипулировании многоуровневыми системами. Однако квантовые состояния очень хрупкие. Они длятся лишь короткий промежуток времени — временем когерентности. Новое исследование показывает максимальное количество операций, которые ученые могут выполнить за время согласованности. Это позволяет оптимально использовать его.
Читайте также
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
Ученые впервые зафиксировали, как вокруг звезд малой массы формируются планеты