Квантовый мир под наблюдением: измерения без вмешательства

Наблюдение за квантовой системой может само по себе изменить ее состояние. Этот фундаментальный принцип квантовой механики особенно сильно проявляется в сложных системах: чем больше частиц в системе, тем труднее измерить ее свойства, не нарушив хрупкие квантовые эффекты. Группа физиков предложила способ наблюдать за крупной квантовой системой более суток практически без влияния на нее.

Квантовые эффекты чрезвычайно чувствительны к внешним шумам. Любые взаимодействия с окружающей средой — тепловые колебания, электромагнитные помехи или механические вибрации — могут разрушить квантовое состояние. Поэтому в экспериментах исследователи часто работают с небольшими системами из нескольких атомов, которые тщательно изолируют: охлаждают до сверхнизких температур, помещают в вакуум и защищают от внешнего излучения. Однако именно крупные системы наиболее перспективны для практических приложений. В них, впрочем, значительно сложнее сохранить квантовые свойства из-за накопления шумов и сложных коллективных взаимодействий.

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса (США) предложили новый подход, который заметно упрощает наблюдение за квантовыми эффектами в больших системах. Разработанная ими установка работает с макроскопическими ансамблями спинов и позволяет отслеживать их эволюцию во времени, напрямую регистрируя флуктуации спинов. При этом измерение не разрушает квантовое состояние системы. Чувствительность метода оказалась настолько высокой, что приблизилась к фундаментальному пределу точности, установленному законами квантовой механики. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.

В основе установки лежит сверхпроводящая схема, сигналы с которой считывает СКВИД — сверхпроводящий квантовый интерферометр, один из самых чувствительных детекторов магнитного поля. В приемную катушку устройства ученые поместили ядра фтора-19, содержащиеся в тефлоне, и ядра водорода в нейлоне. Катушка была подключена к детектору, а вся система охлаждалась до температуры ниже одного кельвина. В таких условиях установка могла регистрировать информацию о спинах через сигнал магнитного резонанса, не возбуждая систему внешними воздействиями.

В качестве единственного источника динамики исследователи использовали естественные тепловые флуктуации сверхпроводящей схемы. Магнитное поле было настроено так, чтобы частота спинового резонанса совпадала с собственной резонансной частотой схемы. Благодаря этому изменения в поведении спинов отражались в параметрах сверхпроводящего контура и могли быть зафиксированы детектором.

Измеренные флуктуации спиновых углов точно совпали с теоретическими расчетами. Их величина масштабировалась так, как предсказывает теория, — в зависимости от числа спинов и их поляризации. Это подтвердило, что исследователи наблюдали именно фундаментальный шум квантовой спиновой проекции, а не паразитные внешние помехи. Эксперимент продолжался 26 часов непрерывного наблюдения.

«В предыдущих экспериментах квантовый предел точности достигался при работе с ячейками атомного пара, где число частиц составляло порядка 100 миллиардов. Нам удалось добиться той же точности на твердом образце, содержащем почти пять секстиллионов спинов (5×10²¹). Минимальный измеренный угол флуктуации составил всего девять нанорадиан — это невероятно малая величина. Примерно такой угловой размер имеет человек, стоящий на Луне, если смотреть на него с Земли», — рассказал старший автор работы Александр Сушков.

По мнению исследователей, разработанная система может стать основой для неинвазивной спектроскопии магнитного резонанса. Такой подход позволит изучать свойства материалов, не изменяя их самим процессом измерения. Это особенно важно при работе со взрывоопасными или крайне чувствительными веществами, для которых традиционные методы диагностики могут быть слишком агрессивными.

Источник: Физики нашли способ измерять большие квантовые системы, не воздействуя на них — Naked Science