480 атомов нарушили локальный реализм

Измерения, проведенные в рамках эксперимента. Красная линия — ограничения неравенства Белла, выделенная квадратом точка — нарушение локальности с достоверностью 3,8 сигма

Roman Schmied et al. / Science, 2016

Физики из Университета Базеля и Национального Университета Сингапура продемонстрировали нарушение многочастичных неравенств Белла для крупной системы сжатых спинов, состоящей из 480 атомов рубидия. Ранее были известны аналогичные эксперименты лишь с десятками частиц. По словам авторов, эксперимент показывает, что крупные коррелированные системы можно использовать для работы с квантовой информацией наравне. Одно из их возможных приложений — эффективная генерация случайных величин. Исследование опубликовано в журнале Science, также доступен препринт работы.

Неравенства Белла, в простейшем случае, представляют собой ограничение на связь между результатами двух измерений, проводимых в разных точках пространства. Они порождены принципом локальности, запрещающим одной системе моментально влиять на физическую реальность другой системы. Проиллюстрировать их работы можно на примере измерений квантовых свойств двух частиц, к примеру, поляризации фотонов или спинов фермионов. 

В одном из мысленных экспериментов неравенства Белла указываютна то, что измеряя разные проекции поляризации у двух частиц, рожденных в одном процессе, мы получим совпадения экспериментов как минимум в трети случаев. На практике же совпадения наблюдаются лишь в 25 процентах измерений. Это указывает на то, что состояния частиц скоррелированы сильнее, чем это можно объяснить «договоренностью» о поведении в экспериментах (внутренними параметрами). Это пример нарушения принципа локальности, при котором состояние одной частицы может моментально влиять на исход измерения свойств другой частицы.

Физики-теоретики расширили неравенства Белла и на многочастичный случай — когда скоррелированными оказываются сразу много частиц. Такие системы ближе к макроскопическому миру, однако до сих пор нарушения локальности и белловские корреляции удавалось обнаружить лишь в системах из 14 ионов, четырех фотонов, пар атомов и пар кубитов. Одна из сложностей поиска таких связей состоит в том, что экспериментаторы измеряют глобальные свойства систем и их необходимо каким-то способом перенести на свойства компонентов системы.

В новой работе ученые значительно увеличили количество частиц в исследуемой системе. Авторы поймали в магнитную ловушку около полутысячи холодных атомов рубидия, после чего, с помощью лазера сформировали в них особое спиновое сжатое состояние. В этом состоянии направление «оси вращения» частицы может колебаться лишь внутри очень вытянутого эллипса (обычно спины описывают окружности в магнитном поле). Затем атомам позволили сталкиваться друг с другом — это влияло на их внутренние состояния и именно так рождалась «квантовая связь» между частицами. После этого, опять таки с помощью лазерных импульсов физики измеряли коллективный спин системы.

Внешний вид неравенства, проверенного исследователями. Слева — внешний вид спинового сжатого состояния

Roman Schmied et al. / Science, 2016

Авторы изменили формулировку многочастичного неравенства Белла для предложенного эксперимента. Его измененная версия показывала, что определенная функция, зависящая от коллективного спина и пары векторов, описывающих сжатое состояние спинов, должна быть больше нуля. Данные исследования показали, что при определенных условиях это условие нарушалось со значимостью 3,8 сигма, что свидетельствует о том, что система скоррелирована сильнее, чем то допускает классическая физика.

Алексей Рубцов, руководитель группы сильно-коррелированных квантовых систем Российского Квантового Центра, отмечает, что полученная статистическая значимость — очень неплохой результат для такого рода экспериментов. По словам физика, выбор холодных атомов рубидия для эксперимента позволил эффективно бороться с декогеренцией. 

По словам физиков, новая работа открывает новые возможности для количественного анализа нарушения нелокальности в системах, подобно тому, как количественно можно описывать степень запутанности частиц. Кроме того, предложенная система может использоваться в генерации достоверно случайных величин — этот процесс уже был описан для пар кубитов, но для многочастичных объектов он может оказаться более эффективным.

Владимир Королёв