Przełom w świecie kwantów: atomy w dwóch miejscach jednocześnie

Po raz pierwszy udało się bezpośrednio zaobserwować pary atomów wykazujące korelacje Bella, co w praktyce oznacza, że cząstki te istniały w stanie splątanym, zachowując się tak, jakby znajdowały się w dwóch miejscach naraz. Naukowcy z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego (ANU) oraz międzynarodowy zespół badawczy dokonali historycznego wyczynu w dziedzinie mechaniki kwantowej.

Wyniki tych przełomowych badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications (artykuł pt. „Bell correlations between momentum-entangled pairs of 4He* atoms”). Stanowią one najsilniejszy jak dotąd dowód na to, że dziwne zasady mechaniki kwantowej, które dotychczas obserwowano głównie w przypadku fotonów (cząstek światła), mają zastosowanie również do znacznie masywniejszych obiektów, jakimi są całe atomy.

Test Bella dla materii

Koncepcja splątania kwantowego – którą Albert Einstein nazywał z niepokojem „upiornym działaniem na odległość” – zakłada, że dwie cząstki mogą zostać ze sobą powiązane w taki sposób, iż stan jednej z nich natychmiast wpływa na stan drugiej, niezależnie od dzielącej je odległości.

Aby udowodnić, że mamy do czynienia z rzeczywistym zjawiskiem kwantowym, a nie ukrytymi zmiennymi klasycznymi, fizycy wykorzystują tzw. nierówność Bella. W omawianym eksperymencie naukowcy wykorzystali pary metastabilnych atomów helu-4 (4He*). Dzięki zastosowaniu zaawansowanego interferometru typu Rarity-Tapster, badaczom udało się potwierdzić naruszenie nierówności Bella dla pędów tych atomów.

Atomy w superpozycji

Kluczem do sukcesu było stworzenie układu, w którym pary atomów były „splątane pędowo”. Oznacza to, że pojedynczy atom nie posiadał określonej ścieżki ruchu, dopóki nie został zmierzony – znajdował się w kwantowej superpozycji, de facto podróżując wieloma drogami jednocześnie.

„To niesamowite, że możemy wziąć dwa potężne (w skali mikroświata) atomy i sprawić, by zachowywały się w sposób, który przeczy naszej codziennej intuicji o czasie i przestrzeni” – komentują autorzy badań. Choć zjawisko to jest fundamentem teorii kwantowej, przeprowadzenie tak precyzyjnego testu na masywnych cząstkach materii było przez dekady ogromnym wyzwaniem technicznym.

Dlaczego to odkrycie jest ważne?

Osiągnięcie zespołu z ANU ma fundamentalne znaczenie dla kilku dziedzin nauki i technologii:

• Komputery kwantowe: Potwierdzenie splątania między atomami otwiera drogę do budowy bardziej stabilnych kubitów opartych na materii, co może przyspieszyć rozwój obliczeń kwantowych.
• Precyzyjne czujniki: Atomy splątane kwantowo mogą służyć jako niezwykle czułe sensory w interferometrii atomowej, pozwalając na mierzenie grawitacji lub pól magnetycznych z niespotykaną dotąd dokładnością.
• Granica między światami: Badanie to przybliża nas do odpowiedzi na pytanie, gdzie kończy się świat kwantowy, a zaczyna świat klasyczny (makroskopowy). Skoro potrafimy splątać atomy, czy w przyszłości uda się to z większymi cząsteczkami?

Sukces fizyków to milowy krok weryfikujący fundamenty naszej wiedzy o wszechświecie. Udowodnienie, że materia – podobnie jak światło – podlega korelacji Bella na poziomie atomowym, zamyka kolejny rozdział w sporze o naturę rzeczywistości i otwiera drzwi do nowej ery technologii kwantowych.

Źródło:

Phys.org: „Pairs of atoms observed existing in two places at once”
Nature Communications: „Bell correlations between momentum-entangled pairs of 4He atoms”