Исследователи впервые продемонстрировали квантовую запутанность в механических системах. Концепцию одного из таких экспериментов художник изображает, как световое поле интерферометра, «переносящего» запутанное состояние. Фото предоставлено: Институт нанонауки им. Кавли, Делфтский технологический университет / Мориц Форш.

Запутанность — противоречивая идея состоящая в том, что частицы могут быть связанными независимо от расстояния между ними. Это явление остается одним из самых странных и наименее понятных следствий квантовой механики. Если измерить квантовое свойство одной из пары запутанных частиц, то свойство другой мгновенно изменится.

Такие странные явления обычно возникают на субатомном уровне. Но недавно физики продемонстрировали запутанность и другие квантовые эффекты в крайних формах, наблюдая их в больших системах, включая облака атомов, квантовые барабаны, проводники и кремниевые чипы. Устройство за устройством они переносят квантовый мир на новую территорию — в макроскопический мир.

Эти работы находят новые приложения. Некоторые экспериментальные квантовые компьютеры используют петли сверхпроводящих проводников в качестве кубитов хранящих квантовую информацию. Большие квантовые объекты уже использовались, чтобы помочь обнаружить гравитационные волны; они могут появиться в устройствах следующего поколения, таких как сверхчувствительные датчики и системы шифрования. Эти инновации, однако, выходят далеко за рамки передовых технологий. Построение все больших и больших квантовых объектов повышает возможности исследования некоторых из неразгаданных тайн на пересечении между квантовым и классическим мирами, и между квантовой механикой и гравитацией.

Два мира

С тех пор, как австрийский физик Эрвин Шредингер впервые описал дуализм волны и частицы 90 лет назад (1), физики исследуют границу между наблюдаемым, предсказуемым макроскопическим миром и миром, в котором действуют вероятностные квантовые законы. В квантовом мире частица существует как волна описывающая вероятность ее местоположения. Однако после измерения частица локализуется в определенной точке пространства.

Кроме того, квантовая частица может находиться в суперпозиции двух квантовых состояний с некоторой вероятностью нахождения в каждом из них. Например, электрон может находиться в суперпозиции высокого и низкого энергетических уровней. Когда производится измерение, это состояние разрушается, и наблюдается, что электрон находится только на одном из уровней. Согласно квантовой механике акт измерения изменяет систему.

То же и с запутанными парами. Измерение свойства одной приводит к изменению свойства другой, независимо от того, как далеко они находятся. Все это противоречит надежным ньютоновским законам, которые управляют нашим макроскопическим миром, в котором объект может быть надежно обнаружен в одном месте.

Квантовые правила применяются к отдельным атомам и другим частицам микромира, но из крошечных атомов состоит все вокруг, поэтому понятно, что эти эффекты должны масштабироваться. Но насколько далеко?