Ujawniając statystyki kwantowe parą odległych atomów

Anonim

Międzynarodowy zespół naukowców zaproponował nowy sposób uczynienia atomów lub jonów nieodróżnialnymi poprzez zamianę ich pozycji. Oczekuje się, że cząstki te będą wykazywały właściwości egzotyczne. W badaniu uczestniczyli fizycy z Uniwersytetu w Bonn, Austriackiej Akademii Nauk i Uniwersytetu Kalifornijskiego. Praca została opublikowana w Physical Review Letters.

Wyobraź sobie, że grasz w "Find the Lady" - w rzeczywistości jest to bardzo prosta wersja: Krupier nie jest twardym oszustem, ale raczej szczerą kobietą. A na stole przed nią są tylko dwie filiżanki, a nie trzy. Są one wykonane z czarnego plastiku i wyglądają tak samo - próbuj jak możesz - nie możesz odróżnić jednego od drugiego.

Krupier przesuwa obie miski do tyłu i do przodu. Jej ruchy są bardzo szybkie i zręczne. Niemniej jednak, przy odrobinie koncentracji, udaje ci się podążać za jej ruchami. Na końcu możesz poprawnie określić, które kubki były pierwotnie po lewej, a które po prawej.

Ale co by się stało, gdybyś zamknął oczy, gdy kubki są przenoszone? W tym przypadku możesz tylko zgadywać. W końcu obie filiżanki wyglądają identycznie. Oczywiście tak naprawdę nie są one takie - puchar 1 pozostaje puchar 1, bez względu na to, jak często zmienia miejsca przy filiżance 2.

Jednak w świecie rzeczy najmniejszych można wykonywać eksperymenty, w których tożsamość nie jest jasna. Granie w grę taką jak "Find the Lady" w świecie kwantowym zostało już zaproponowane przez fizyków z Instytutu Fizyki Stosowanej (IAP) Uniwersytetu w Bonn wraz z ich kolegami z Austrii i USA.

W różnych miejscach w tym samym czasie

W świecie kwantowym kubki są zastępowane dwoma atomami, które są dokładnie w tym samym stanie atomowym. "Takie atomy mogą być wytwarzane w wyspecjalizowanych laboratoriach przy użyciu najnowocześniejszych technik" - wyjaśnia prof. Dieter Meschede z IAP. "W rzeczywistości są zupełnie takie same i różnią się tylko ze względu na położenie, w którym się znajdują."

Kiedy grasz w "Find the Lady" w świecie atomów, masz dodatkową swobodę. Na przykład naukowcy mogą liczyć na zjawisko mechaniki kwantowej, zgodnie z którym cząsteczki mogą znajdować się w dwóch różnych miejscach w tym samym czasie. Sprytnie wykorzystując to zjawisko, atom 1 i 2 mogą, przy odrobinie szczęścia, zamienić się miejscami, nie zauważając nikogo.

Innymi słowy: na końcu manipulacji kwantowej obserwator nie ma możliwości powiedzieć - co do zasady - czy atom 1 jest w rzeczywistości nadal atomem 1, czy też został zamieniony atomem 2. Dla standardowych kubków, nadal można je rzetelnie odróżnić, wykorzystując najdrobniejsze różnice, takie jak mikroskopijnie mały wgniecenie. Nie dotyczy to identycznie przygotowanych atomów; są dokładnie takie same. "Pod koniec eksperymentu nie jest więc możliwe - w jakiejkolwiek formie - określenie, który z dwóch atomów jest numerem 1, a który jest numerem 2" - wyjaśnia dr Andrea Alberti z IAP.

Ma to również implikacje filozoficzne. Niemiecki filozof Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) jest uznawany za twierdzenie, że dwa przedmioty są identyczne, gdy nie można rozróżnić między nimi różnic. Zgodnie z logiką Leibniza, zmienione atomy musiały następnie utracić część swojej indywidualności: są dwa, a jednak są jakoś.

Zdumiewająco, oba z nich są również "połączone" ze sobą po zmianie miejsca: pewne właściwości obu cząstek, takie jak spin - kierunek obrotu atomu - zależą od obu cząstek. Jeśli zaobserwujesz orientację spinową atomu 1, natychmiast zorientujesz się w orientacji spinowej atomu 2 - nawet bez bezpośredniej obserwacji. "To tak, jakby rzucić dwie monety niezależnie od siebie", wyjaśnia Andrea Alberti. "Jeśli jedna moneta pokazuje głowy, to musi być tak samo w przypadku drugiej." Fizycy mówią o "uwikłaniu".

Badacze IAP pracują obecnie nad wprowadzeniem w życie ich teoretycznej propozycji. Eksperyment można również przeprowadzić w zmodyfikowanej formie z innymi cząsteczkami, takimi jak jony - droga, którą chcą podjąć koledzy z Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej w Innsbrucku w Austriackiej Akademii Nauk. "Spodziewamy się z tych badań, w których kontrolujemy z wysoką precyzją dokładnie dwie cząstki kwantowe, nowe odkrycia dotyczące fundamentalnej zasady wymiany kwantowej", ma nadzieję Alberti.

menu
menu