20 января 2015 года на сайте журнала Physical Review X была опубликована статья с описанием экспериментов, продемонстрировавших, что атомы цезия нарушают принципы движения по классическим траекториям. Мы попросили прокомментировать это исследование доктора физико-математических наук Алексея Рубцова.

Что произошло

Международная группа ученых из Германии и Великобритании с точностью до шести стандартных отклонений показала, что для атомов цезия, охлажденных до сверхнизких температур и движущихся в созданном оптическим полем периодическом потенциале, нарушаются неравенства Леггетта — Гарга. Вероятность ошибки при такой точности составляет примерно 1 шанс из 500 миллионов. Эти неравенства определяют соотношения между координатами одной и той же частицы, измеренные в разные моменты времени. Их нарушение означает принципиальную невозможность свести эволюцию атома к движению по какой-либо определенной траектории.

Предыстория

Эта тема восходит ко временам Эйнштейна, который, как известно, считал, что квантовая механика не является окончательной теорией и что есть скрытые параметры, в пространстве которых частицы движутся по определенным траекториям, просто мы не можем ни измерить эти параметры, ни посчитать траектории. Согласно положениям квантовой механики, мы всегда имеем дело с суперпозицией многих траекторий.

С предположением Эйнштейна было покончено, когда было проверено нарушение так называемых неравенств Белла, которые описывают корреляции между двумя частицами. Эти неравенства в классическом «эйнштейновском» мире должны всегда выполняться, а в квантовом мире они нарушаются. Было показано, что они действительно нарушаются — это было проверено примерно 50 лет назад.

Рекомендуем по этой теме:
7902
FAQ: Квантовый метод Монте-Карло

После этого остается вопрос: если речь идет об одной частице, можно ли также убедиться, что она движется не по определенной траектории, а по целой совокупности траекторий? Для этого необходимо убедиться в нарушении неравенств Леггетта — Гарга, в которые входят корреляции между положениями частицы в различные моменты времени. Именно это и было сделано в данной работе применительно к массивной частице — атому цезия.

Похожие эксперименты были проведены и раньше, но не для реальных, а для квазичастиц вроде кубитов. Основная сложность в проведении эксперимента состояла в необходимости практически исключить взаимодействие атомов с окружающим миром: такое взаимодействие приводит к декогеренции, подавляющей эффекты квантовой интерференции траекторий.

Перспективы

Авторы говорят о возможности экспериментов, в которых интерферирующие траектории были бы разделены макроскопически большим расстоянием. Кроме того, неравенства Леггетта — Гарга было бы интересно проверить применительно к средним, вычисленным для систем нескольких взаимодействующих частиц, например атомным кластерам. Это новое знание о том, как квантовые свойства нашего мира выражаются в эволюции отдельных объектов. О квантовых свойствах как таковых ничего нового не узнано, они давно установлены, ничего проверять не нужно. Но вот о том, как они проявляются, данное исследование предоставляет действительно новое знание.