Тихоходка стала первым животным, побывавшим в состоянии квантовой запутанности?

В субботу в интернете начала распространяться новость о том, что учёные смогли ввести тихоходок в состояние квантовой запутанности. Для этого самое живучее животное на планете "посадили" на один из запутанных кубитов.

Это выдающееся достижение, ведь получается, что это первый живой (или, по крайней мере, условно живой) макрообъект, побывавший в состоянии квантовой запутанности.

Почему "условно живой"? Тихоходка во время эксперимента находилась в состоянии глубокого криптобиоза. Так что своё участие в одном из самых загадочных процессов квантовой физики она не заметила, но зато вышла из него живой. По крайней мере, так пишут авторы новой работы, ещё не прошедшей процедуру рецензирования сторонними специалистами.

Исследование в формате препринта научной статьи было опубликовано на портале arXiv.org.

Попробуем объяснить, что такое квантовая запутанность, и почему выводы исследователей об участии в ней тихоходки могут оказаться чересчур поспешными.

Мир квантовой физики — чудесное место, на пороге которого нужно оставить все наши представления о привычных физических законах. Одно из "чудес" этих мест — феномен квантовой запутанности.

Так называют неосязаемую связь двух объектов — к примеру, атомов — "спутанных" таким образом, что их уже нельзя охарактеризовать по отдельности друг от друга. То есть их квантовые состояния становятся взаимозависимыми.

И эта взаимозависимость сохраняется, даже если два квантово запутанных объекта разнести далеко, очень далеко друг от друга. Можно сказать, что от этого состояния рукой подать до понятия квантовой телепортации. Однако в реальности речь не идёт о передаче энергии или вещества на расстояние.

От одного объекта другому передаётся лишь его квантовое состояние.

Если квантово связать два кубита, то получается система, в которой два кубита "чувствуют" состояние друг друга на расстоянии. Это тяжело себе представить, но именно это и делает мир квантовой физики таким сложным и привлекательным для исследователей.

И именно на один из запутанных в этой "магической" системе кубитов исследователи поместили тихоходку, охлаждённую до температуры 10 милликельвинов, или-273,14 градусов Цельсия. Эта температура почти равна абсолютному нулю температур.

Физики впервые "сфотографировали" квантовую запутанность.

Квантовая запутанность – одно из самых удивительных явлений в квантовом мире. Новое исследование впервые позволило человечеству буквально увидеть его.

Напомним в двух словах, о чём речь. Когда два объекта (обычно используются фотоны) запутаны друг с другом, изменение в состоянии одного мгновенно отражается на состоянии другого, какое бы расстояние их ни разделяло. При этом никаких физических взаимодействий между двумя запутанными частицами нет. Волшебство? Наука.

В новом эксперименте физики создавали пары запутанных фотонов. Для этого они облучали кристалл бета-бората бария ультрафиолетом. Испускаемый кристаллом свет попадал на светоделитель, разделяющий световой луч надвое. При этом фотоны первого луча оказывались запутанными с фотонами второго. Каждый луч проходил через собственный пространственный модулятор света (ПМС).

Помимо этого первый луч встречал на своём пути так называемый фазовый объект, который менял фазу фотонов.

Далее первый луч поступал на приёмник. По оптоволокну фотоны добирались от него до однофотонного лавинного диода (single-photon avalanche diode, или SPAD). Этот прибор порождал кратковременный, но заметный электрический ток даже в ответ на приход одного фотона.

Ток, порождаемый SPAD, включал сверхчувствительную камеру. Камера была установлена так, чтобы в её объектив падал второй луч.

Но второй луч не встречал на своём пути устройства, меняющего фазу. Зато он проходил через фазовые фильтры, пропускающие только фотоны с определённой фазой.

Чтобы не потеряться в этом обилии терминов и процессов, поясним разницу между первой и второй ситуацией "на пальцах". Вообразим, что луч света – это поток не фотонов, а людей. На пути первого потока стоит сумасшедший модельер, который насильно всех переодевает (это изменение фазы). Второй поток встречается со строгими охранниками, которые никого не переодевают, но пропускают лишь тех, кто соответствует заявленному дресс-коду (это фазовый фильтр). При этом охранникам можно дать инструкцию пропускать (или, наоборот, задерживать) лишь тех, кто одет согласно вкусу модельера. Благодаря этому можно судить о том, подвергся ли влиянию безумного модельера тот поток людей, что не встречался с ним самим.

Возвращаясь к физике, можно сказать, что фазовые фильтры помогают понять, изменилась ли фаза фотонов второго луча (которые не встречались с меняющим фазу объектом), однако известно, что это делали запутанные с ними "близнецы" из первого луча.

Первый фотон из пары инициировал включение камеры как раз тогда, когда до неё добирался второй фотон из пары (если его пропускали фазовые фильтры). Для этого путь второго луча был удлинён специальной линией задержки, состоящей из четырёх зеркал.

Камера фиксировала, достиг ли её второй фотон, то есть пропустили ли его фазовые фильтры.

Эксперимент подтвердил, что первый фотон менял фазу синхронно со вторым, несмотря на то, что он не проходил через меняющий фазу объект. Так и должно было быть, поскольку фотоны в первом и втором лучах были запутаны между собой, и изменение в состоянии одного моментально отражалось на состоянии другого.

Кстати, эксперимент проводился трижды с тремя разными тихоходками, и лишь одна из них успешно вернулась к жизни. Это произошло благодаря тому, что учёные переводили её в условия нормального атмосферного давления очень медленно.

Напомним, ранее мы писали о том, что тихоходки способны пережить выстрел из пушки, условия открытого космоса и, возможно, могут благополучно жить на Луне.

Также мы рассказывали о том, что российские физики научились переводить с одного "квантового языка" на другой с помощью телепортации, а ещё о том, как физики квантово запутали сразу 15 триллионов атомов.

Сообщали мы и о том, что на МКС проверяли влияние гравитации на квантовую запутанность, а также о том, что квантовая запутанность может увеличить чувствительность детекторов гравитационных волн в два раза.