Кот Шредингера в спине ядра: ученые изменили представления о квантовом вращении

Исследователи Национального университета Сингапура (NUS) и Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее доказали, что вращающееся атомное ядро действительно является фундаментальным квантовым ресурсом. Руководителями команд стали профессор Валерио Скарані из кафедры физики NUS и профессор Андреа Морелло из инженерного факультета UNSW. Исследование было опубликовано в журнале Newton 14 февраля 2025 года.

Ранее считалось, что частицы вроде электронов и протонов обладают квантовыми свойствами, поскольку их траектория меняется под воздействием магнитного поля. Однако, когда такие частицы вращаются свободно, их поведение казалось идентичным классическим объектам, таким как колесо обозрения. В течение более полувека специалисты по ядерному магнитному резонансу принимали этот факт как непреложную истину.

По этой же причине операторы аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ) не нуждались в глубоком понимании квантовой механики. Вращение протонов в теле пациента создает магнитное поле так же, как если бы к вращающемуся колесу прикрепили магнит.

Новое исследование, проведенное международной командой ученых, позволило впервые экспериментально доказать квантовую природу вращающихся атомных ядер.

Разгадка загадки

Профессор Скарані, заместитель директора Центра квантовых технологий в Сингапуре, предложил теорию после знакомства с работой математика Бориса Цирельсона, опубликованной за 15 лет до этого. Исследование Цирельсона описывало вероятностные закономерности перемещения объектов, совершающих колебания.

Ученый задумался, можно ли использовать этот подход для объяснения поведения квантовых объектов при вращении. В сотрудничестве со своим учеником Зо Лин Хту он работал над проблемой несколько лет, прежде чем приступить к экспериментальной проверке гипотезы.

В Университете Нового Южного Уэльса профессор Морелло и его команда предоставили оборудование для сверхточных измерений. В ходе эксперимента ученые запустили вращение ядра атома сурьмы и фиксировали его положение на каждом из семи этапов одного цикла.

«Если представить вращающееся ядро как колесо фортуны, классическая физика утверждает, что его стрелка будет указывать вправо либо 3, либо 4 раза из 7, но не больше, — объясняет профессор Скарані. — Квантовая же теория предсказывала, что в особом состоянии возможно превышение этого предела».

Подтверждение квантовой природы

Эксперимент, проведенный аспирантом Арьеном Ваартьесом и доктором Мартином Нуриццо под руководством профессора Морелло, подтвердил это предсказание. Разница между классическим и квантовым поведением оказалась небольшой, но статистически значимой.

«Ранее считалось, что невозможно доказать квантовую природу спина ядра, просто наблюдая его прецессию в магнитном поле. Теперь мы показали, что это возможно, — комментирует профессор Морелло. — Мы использовали особые квантовые состояния, в том числе так называемое "состояние Шрёдингеровского кота", чтобы выявить отклонение от классической модели».

Этот прорыв не только углубляет фундаментальное понимание квантовой механики, но и открывает новые возможности в области квантовых вычислений, поскольку такие особые состояния могут стать важным ресурсом для квантовых технологий.

С открытием, сделанным в год, который ООН объявила Международным годом квантовой науки и технологий, исследователи не только подтвердили вековые принципы квантовой механики, но и заставили научное сообщество взглянуть на них по-новому.