Исследователи из Базельского университета и Лаборатории Кастлера Бросселя в Париже продемонстрировали, что квантовая запутанность может стать мощным инструментом для практических целей. Им удалось использовать это явление для одновременного измерения нескольких физических величин с точностью, превосходящей возможности традиционных методов. Результаты работы, открывающей новые горизонты в области точных измерений, были опубликованы в престижном журнале Science.
Квантовую запутанность часто называют одним из самых загадочных явлений физики. Когда два объекта, например, атомы, становятся запутанными, их свойства оказываются тесно связанными, независимо от расстояния между ними. Измерение параметра одного объекта будто бы мгновенно влияет на состояние другого – феномен, который Альберт Эйнштейн назвал «пугающим дальнодействием». Этот парадокс, не имеющий аналогов в классической физике, был экспериментально подтвержден, что принесло его исследователям Нобелевскую премию по физике в 2022 году.
Опираясь на эти фундаментальные открытия, команда ученых под руководством профессоров Филиппа Тройтляйна и Алис Синатры пошла дальше. Они впервые применили запутанность между пространственно разделенными объектами для практической задачи – высокоточного измерения. По словам Тройтляйна, квантовая метрология, использующая квантовые эффекты для усовершенствования измерений, уже является устоявшейся областью. Однако предыдущие эксперименты проводились с атомами, находящимися в одном месте. Теперь же ученым удалось распространить действие запутанности на расстояние, как в знаменитом парадоксе Эйнштейна – Подольского – Розена.
В ходе эксперимента исследователи сначала запутали спины – своего рода внутренние «стрелки компаса» – ультрахолодных атомов внутри одного облака. Затем это облако разделили на три части, которые, будучи разнесенными в пространстве, сохранили квантовую связь друг с другом. Такой подход оказался особенно полезен для изучения величин, которые меняются в пространстве, например, электромагнитных полей. Запутанность между удаленными облаками атомов позволила не только снизить неопределенность, вызванную квантовыми флуктуациями, но и эффективно отфильтровать внешние помехи, которые одинаково влияли на все атомы.
Используя этот метод, команда смогла составить карту распределения поля с заметно более высокой точностью и при меньшем количестве измерений, чем это было бы возможно без использования пространственно разделенной запутанности. Как отмечает один из участников эксперимента, доктор Ифань Ли, теоретическая основа для таких измерений до сих пор была неясна, и никто ранее не проводил подобных опытов с удаленными друг от друга запутанными атомными облаками.
Новый метод имеет прямое прикладное значение. По словам аспиранта Лекса Йоостена, разработанные протоколы можно интегрировать в уже существующие сверхточные приборы, такие как оптические решеточные часы. В этих часах атомы служат эталоном времени, и новая технология поможет уменьшить погрешности, связанные с их распределением, повысив точность хода. Также этот подход способен усовершенствовать атомные интерферометры, используемые для измерения гравитационного поля Земли, позволяя с беспрецедентной точностью определять его пространственные вариации.
