На грани двух физик: что такое квантовое вращение и как его измерить

Что делает явление квантовым? Этот вопрос десятилетиями не даёт покоя небольшой, но преданной своему делу группе учёных – в основном квантовым физикам. Теперь команда из Университета Нового Южного Уэльса нашла неожиданный ответ , доказав, что даже одна вращающаяся частица может демонстрировать бесспорные признаки квантового поведения.

Загадка кроется в самой природе нашего мира. В физике есть два набора правил для его описания. Классическая механика объясняет поведение привычных нам объектов – от падающих яблок до планет: они движутся по чётким траекториям, имеют конкретное положение в пространстве и подчиняются строгим причинно-следственным связям. Но когда люди начали изучать мир в микромасштабе, эти правила перестали работать. На уровне атомов и элементарных частиц действуют законы квантовой механики: частицы могут находиться одновременно в разных местах, проходить сквозь барьеры и мгновенно влиять друг на друга на любом расстоянии. Исследователи давно пытаются понять, где именно проходит граница между этими двумя реальностями.

История исследований началась сто лет назад, когда голландские физики Самюэль Гаудсмит и Джордж Уленбек выдвинули революционную гипотезу. Они предположили, что элементарные частицы, такие как электроны, образующие внешнюю оболочку атомов, никогда не остаются в покое. Вместо этого они постоянно вращаются, как крошечные волчки.

Согласно оригинальной теории, вращение, или спин, может происходить только в двух направлениях: по часовой стрелке или против – физики называют эти состояния "спин вверх" и "спин вниз". Именно двоичная природа спина электронов (возможность вращаться только в двух направлениях) делает их похожими на биты в обычных компьютерах, которые принимают только два значения – 0 или 1. Но в отличие от обычных битов, квантовые одновременно в обоих состояниях благодаря квантовой суперпозиции. Это свойство позволяет квантовым компьютерам выполнять некоторые вычисления гораздо быстрее классических машин.

В 1925 году теория вращающихся электронов вызвала настоящий переполох в научном сообществе. В то время физику определяли такие титаны науки, как Альберт Эйнштейн, Макс Планк и Пауль Эренфест – учёные, чьи теории относительности и квантовой механики полностью изменили наше понимание реальности. Когда нобелевский лауреат Хендрик Лоренц раскритиковал теорию спина, Уленбек засомневался и хотел отозвать статью. Однако их наставник Эренфест настоял на публикации, отметив с иронией: "Вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе глупость!"

Сопротивление новым идеям – частое явление в физике. Как метко заметил Планк, наука движется вперёд от похорон к похоронам. Даже сегодня многие физики учатся по учебникам, которые содержат противоречивые представления о природе спина. С одной стороны, в них говорится, что спин – это фундаментальное квантовое свойство, необходимое для понимания поведения электронов и атомных ядер. С другой – утверждается, что само вращение частицы можно полностью описать законами классической физики.

Похожая путаница существует и в понимании других физических систем. Возьмём, например, гармонический осциллятор – любую систему, совершающую мерные колебания, простейшим примером которой служит обычный маятник. Согласно теореме Эренфеста 1927 года, невозможно отличить колебания квантового маятника от движения обычных качелей в парке.

Борис Цирельсон предложил неожиданный способ отличить квантовое поведение от классического. Если подготовить квантовую систему в особом состоянии – когда она одновременно находится в двух противоположных конфигурациях – можно заметить отклонения от классических законов физики. В случае с маятником это означает, что он каким-то образом качается одновременно в разных направлениях, что невозможно, например, для обычных качелей в парке.

Через 15 лет группа Валерио Скарани натолкнулась на эту идею и поняла: то же самое должно работать и для вращающихся частиц. Если заставить частицу вращаться одновременно в разных направлениях, можно будет математически доказать её квантовую природу.

Когда исследователи из Университета Нового Южного Уэльса приступили к эксперименту, они столкнулись с парадоксом. Изначально теория строилась вокруг электронов, но именно с ними опыт провести не удалось. Причина одновременно и неожиданная, и вполне очевидная: у электрона слишком простая система вращения – всего два возможных направления. Казалось бы, это должно упрощать задачу, но вышло наоборот. С таким ограниченным набором состояний электрон может вращаться только по законам классической физики, как обычный волчок. Чтобы увидеть по-настоящему квантовое поведение, нужна была частица посложнее.

– ядра атома сурьмы. В отличие от электрона, спин этого ядра может указывать в восемь разных направлений, что открывает гораздо больше возможностей для эксперимента. Учёным удалось привести атом в состояние "кота Шрёдингера". Это когда частица одновременно находится в суперпозиции двух противоположных направлений спина.

На помощь пришел протокол Цирельсона-Скарани. До сих пор исследователи использовали в экспериментах установки спинового резонанса, которые могли определить только среднее направление вращения частицы. Новый подход позволил измерить позитивность спина – специальную математическую величину, которая показывает, насколько сильно поведение частицы отклоняется от всех возможных классических моделей.

В эксперименте с ядром сурьмы учёные сначала создали особое квантовое состояние, в котором частица находилась одновременно в двух разных конфигурациях вращения. Затем они провели серию сложных измерений, анализируя, как меняется позитивность спина во времени. Если бы ядро подчинялось законам классической физики, значение позитивности не могло бы превысить определённый предел. Однако измерения показали, что этот предел был преодолён, что математически доказывает квантовую природу вращения.

Более того, исследователи смогли количественно оценить степень "квантовости" – насколько сильно поведение частицы отличается от любого возможного классического аналога. Именно эти измерения предоставили первые прямые и неопровержимые доказательства того, что спин действительно является квантовым свойством, а не просто сложным классическим вращением, как считалось раньше.

Открытие важно не только для понимания фундаментальных законов науки. С помощью протокола Цирельсона-Скарани, – это именно те состояния, которые дают квантовым вычислениям и квантовым датчикам преимущество перед классическими системами. Вероятно, в будущем мы выясним, как использовать эти особые свойства для создания новых, еще более продвинутых технологий.