Да будет свет. Фотонные связи миров.

Более ста лет физики бьются над одной из самых больших загадок: как принципы квантовой механики, господствующие в субатомных глубинах, согласуются с законами нашего макромира и тем более — с общей теорией относительности, описывающей взаимодействия образований вселенских масштабов? Этот вопрос стал камнем преткновения для современной науки. Спотыкаясь об него каждый раз, учёные вынуждены работать словно в двух мирах одновременно. Сегодня это выглядит как попытки определить зависимости между глобальными политическими решениями сильных мира сего и вашими вокальными данными. Непонимание этих связей уже не является яблоком раздора, столкнувшим лбами два теоретических обоснования устройства мироздания в споре о цифре на песке — мол, 9 это изображена или 6. Квантовая механика принята сторонниками классической школы во всей своей красе, подтвердив состоятельность своих невероятных (для детерминистических воззрений классицизма) предположений, и теперь непонимание связей микро и макро миров объединяет учёных, мотивируя на поиски истины.

«Взаимодействие между общей теорией относительности [ОТО] и квантовой запутанностью озадачивало физиков на протяжении многих лет, — рассказывает Ана Мария Рей, профессор теоретической физики из Колорадского университета. — Проблема заключается в том, что поправки ОТО в большинстве лабораторных экспериментов ничтожно малы, что делает их чрезвычайно трудными для обнаружения».

Одной из самых наглядных иллюстраций этой загадки оказались… часы. Правда не простые, а оптические решёточные. ОР-часы — едва ли не самое точное устройство для измерения времени. Принцип их работы заключается в удержании атомов путём точного контроля квантовой когерентности и квантовых взаимодействий в неком «решёточном» потенциале, создаваемом лазерными лучами. При этом, в соответствии с ОТО, более сильные гравитационные поля заставляют время течь медленнее — происходит эффект так называемого гравитационного красного смещения. Поэтому, в зависимости от положения атомов в гравитационных полях, их внутренние энергетические уровни претерпевают незначительное смещение, отчего изменяются их колебания в лазерной сетке. Таким образом отсчёты времени, определяемого оптическими решётчатыми часами, демонстрируют реальную связь квантового и классического мира.

Но это также значит, что они могут стать действенным инструментом в поисках учёных. В то время как релятивистские эффекты для отдельных атомов уже изучены довольно неплохо, их роль в сложных системах остаётся слепой зоной физики. А изменения частоты колебаний, которые можно отследить с помощью этих причудливых часов, как раз и позволяют изучать влияния макро-факторов из ОТО на «многочастичные» квантовые системы, где атомы могут взаимодействовать и запутываться.

Команда исследователей из нескольких научных институтов — JILA, NIST, Колорадского университета в Боулдере, Университета Лейбница в Ганновере, Австрийской академии наук и Инсбрукского университета — на примере гравитационного красного смещения разработала протоколы для изучения влияния принципов теории относительности на квантовую запутанность и взаимодействия в оптических атомных часах. Оказалось, что связи между гравитационными и квантовыми эффектами могут приводить к неожиданным явлениям вроде квантовой запутанности между частицами и синхронизации атомов.

«Один из наших ключевых выводов заключается в том, что взаимодействие между атомами может помочь связать их так, чтобы они вели себя как единая система, а не функционировали независимо друг от друга из-за гравитационного замедления времени, — объясняет первый автор статьи, опубликованной по результатам работы в журнале Physical Review Letters, доктор Анджун Чу, научный сотрудник Чикагского университета, прошедший аспирантуру JILA. — Это действительно круто, потому что это напрямую демонстрирует сложные обоюдные зависимости между квантовыми взаимодействиями и гравитационными эффектами».

«Атомные часы в настоящее время достигают беспрецедентной точности, приближая эти неуловимые эффекты к измеримому диапазону, — добавляет физик-теоретик Рей. — Поскольку эти часы одновременно исследуют множество атомов, они представляют собой уникальную платформу для изучения пересечения ОТО и квантовой физики многих тел. В этой работе мы исследовали систему, в которой атомы взаимодействуют, обмениваясь фотонами в оптическом резонаторе. Интересно, что мы обнаружили: хотя отдельные взаимодействия сами по себе не могут напрямую влиять на ход часов, их коллективное влияние на красное смещение может значительно изменить динамику и даже создать запутанность между атомами, что очень интересно».

Гравитационные разночтения.

Решение задачи потребовало данных о том, как гравитационное красное смещение влияет на квантовое поведение. Во-первых, нужно было реализовать распознавание гравитационных эффектов в ОР-часах среди других источников шума, влияющих на крошечные сдвиги частоты. Поскольку в этих часах атомы заключены в вертикальной вакуумной полости, выровненной по гравитации, такая конфигурация позволяет точно измерять состояния атомов. Чтобы настроить и однозначно различить эффекты эквивалентности массы и энергии (гравитационное красное смещение и доплеровский сдвиг второго порядка) в такой системе, команда разработала протокол настройки с использованием дополнительного ядерного спинового состояния. Взяв за основу «протокол одевания» — стандартный метод для квантовой оптики, предполагающий манипулирование внутренними состояниями частиц с помощью лазерного света, — команде удалось-таки добиться настройки гравитационных эффектов.

Основанием такой возможности стала эквивалентность массы и энергии (знаменитое E=mc² Эйнштейна) — механизм зависимости массы частицы от её внутренней энергии. Это фундаментальная закономерность означает, что один и тот же атом в возбуждённом состоянии обладает немного большей массой, чем в основном состоянии, а наблюдаемая в этом случае разница в массе, связанная с гравитационной потенциальной энергией, эквивалентна гравитационному красному смещению.

Как показали результаты работы, применение протокола одевания принесло авторам удачу: гибкий способ настройки разности масс (а значит и гравитационного красного смещения), позволяет задерживать частицы в состоянии суперпозиции двух внутренних энергетических состояний. То есть вместо пребывания строго либо в основном, либо в возбуждённом состоянии, теперь частицы могут быть настроены так, чтобы занимать оба состояния одновременно с непрерывным изменением вероятности «зависнуть» между этими двумя уровнями. Обеспечивая действительно беспрецедентный контроль внутренних состояний, протокол позволяет настраивать размер гравитационных эффектов настолько точно, что даёт возможность отличить реальные эффекты гравитационного красного смещения от градиентов магнитного поля и других трудно уловимых воздействий.

«Изменяя суперпозиции внутренних уровней частиц, к которым вы обращаетесь, вы можете изменять величину гравитационных эффектов, — отмечает аспирантка JILA Майя Миклош. — Это действительно умный способ исследовать эквивалентность массы и энергии на квантовом уровне».

Оптические решёточные часы, встроенные в искривлённое пространство-время, образованное гравитацией Земли. Динамическое взаимодействие между взаимодействием, опосредованным фотонами, и гравитационным замедлением может привести к генерации запутанности и динамике синхронизации частот. Источник.

Видение Синхронизации и Запутанности.

Предложив способ выявления реальных гравитационных эффектов, исследователи изучили их проявления в квантовой многочастичной динамике. Они использовали опосредованные фотонами взаимодействия, которые вызываются помещением атомов в оптический резонатор (полость между лазерными лучами) часов. Суть сводится к тому, что, будучи в возбуждённом состоянии, атом может «расслабиться» — вернуться обратно в основное состояние, — испустив фотон. Однако кроме как покинуть систему, этот фотон может возбудить другой атом, пребывавший в основном состоянии. Такой обмен энергией, называемый фотон-опосредованным взаимодействием, запускает сообщение между частицами даже если они не могут соприкасаться физически.

Выясняется, что подобные типы квантовых взаимодействий могут конкурировать с влиянием гравитации на отдельные атомы внутри полости. Как правило, частицы, расположенные на разных “высотах” в пределах гравитационного поля, испытывают небольшие различия в том, как они “тикают” из-за гравитационного красного смещения. Так вот в отсутствие взаимодействий между частицами небольшая разница в частотах их колебаний со временем приводит к рассинхронизации. В противном же случае, то есть при фотон-опосредованныхвзаимодействиях, произошло нечто удивительное: частицы начинали синхронизироваться, фактически «запирая» свои колебания, несмотря на различия в частотах колебаний, вызванные гравитацией.

«Это удивительно, — говорит доктор Чу. — Можно представить каждую частицу как маленькие часы. Но когда они взаимодействуют, они начинают тикать в унисон, даже если гравитация пытается нарушить их синхронизацию».

Итак, рождение этой синхронизации наглядно демонстрирует удивительную возможность квантовых взаимодействий влиять на гравитационный эффект. При этом частицы, живя по своим квантовым законам, могут сообща преодолевать естественную какофонию колебаний, вызванную гравитационным красным смещением.

И пусть квантовая синхронизация частиц вопреки влиянию ОТО показалась странным явлением сама по себе, она приготовила ещё один сюрприз, вызвав квантовую запутанность — феномен такой взаимосвязи частиц, когда состояние одной из них мгновенно влияет на другую. И в этом аспекте тоже обнаружилось кое-что крайне примечательное: по всей видимости, скорость синхронизации может косвенно указать на наличие запутанности, позволяя количественно оценить взаимодействие двух эффектов.

«Синхронизация — это первое наблюдаемое нами явление, которое демонстрирует конкуренцию между гравитационным красным смещением и квантовыми взаимодействиями, — говорит постдокторант JILA доктор Кён Тэ Ким. — Это окно в то, как эти две силы уравновешивают друг друга».

Продвижение физических исследований.

Хотя это исследование выявило только начальные взаимодействия между этими двумя областями физики, разработанные протоколы ещё не раз сыграют важную роль в становлении и совершенствовании экспериментальных методов. Предлагая горадо большую точность, они найдут применение в самых разных областях — от квантовых вычислений до исследований в фундаментальной физике.

«Обнаружение этой запутанности, вызванной гравитационными волнами, стало бы революционным достижением, и наши теоретические расчёты показывают, что это возможно в рамках текущих или будущих экспериментов», — говорит Ана Мария Рей.

В будущих экспериментах можно будет изучить, как частицы ведут себя в различных условиях или как взаимодействия могут усиливать гравитационные эффекты, приближая нас к объединению двух великих столпов современной физики.

АРМК, по материалам JILA.