Эксперимент физиков уточнил ограничения скорости в квантовом мире
Logo
Cover

Даже в мире мельчайших частиц, подчиняющихся собственным законам, скорость не может нарастать бесконечно, показала международная команда физиков. В ходе эксперимента они внесли коррективы в теорию, предложенную советскими учеными 60 лет назад. Этот результат важен, в частности, для оптимизации работы квантовых компьютеров.

Предположим, имеется некий официант, которому в новогоднюю ночь нужно обнести всех гостей подносом с бокалами шампанского, успев до того, как часы пробьют двенадцать. Он носится от одного столика к другому с максимальной скоростью. Чтобы не пролить ни капли, он слегка наклоняет поднос при ускорении в одну сторону, а когда останавливается у столика, наклоняет его в другую.

Атомы в чем-то похожи на шампанское. Их можно описать как волны материи, которые ведут себя не так, как бильярдные шары, а, скорее, как жидкость. Каждый, кто хочет переместить атом из одного места в другое как можно быстрее, должен быть таким же ловким, как официант под новый год. «Но даже тогда ограничения скорости нельзя преодолеть», — сказала Андреа Альберти из Университета Бонна, руководитель научной группы.

Ее команда экспериментально установила, где именно лежат эти границы скорости. Ученые использовали вместо шампанского атом цезия и два лазерных луча, идеально наложенные друг на друга, но направленные в противоположные стороны. Эта интерференция создает стоячую волну света. «Нашей целью было доставить атом в место назначения по кратчайшему пути, не пролив его во впадине волны, так сказать», — пояснила Альберти.

Факт наличия ограничения скорости в микромире уже был теоретически доказан двумя советскими физиками, Леонидом Мандельштамом и Игорем Таммом, свыше 60 лет назад. Они продемонстрировали, что максимальная скорость квантового процесса зависит от неопределенности энергии, то есть того, насколько свободна частица в отношении к возможным энергетическим состояниям: чем больше у нее энергетической свободы, тем она быстрее.

Если вернуться к примеру с официантом, то если он нальет бокалы лишь наполовину, он меньше будет рисковать пролить шампанское и сможет двигаться быстрее. Однако энергетическую свободу частиц нельзя повышать произвольно — это слишком энергозатратно, пишет Phys.org.

Предел, установленный Мандельштамом и Таммом, фундаментальный, однако достигнуть скорости света можно только при определенных условиях, в системах только с двумя квантовыми состояниями. В данном случае, это происходит, когда исходная точка находится очень близко к конечной. Тогда волны материи атома в двух локациях накладываются друг на друга, и атом может переместиться мгновенно, без остановок по пути.

Однако ситуация будет другой, когда расстояние увеличится до нескольких десятков ширин волн материи. Тогда прямая телепортация окажется невозможной. Частица должна будет пройти через несколько промежуточных этапов — двухуровневая система становится многоуровневой.

Эксперимент показал, что к процессам, предсказанным советскими физиками, применима более низкая граница ограничения по скорости: она определяется не только неопределенностью энергии, но и количеством промежуточных состояний. Таким образом, работа ученых уточняет теоретическое понимание комплексных квантовых процессов и их пределов.

Открытие ученых имеет значение не только для квантовых вычислений. Расчеты, возможные для квантовых компьютеров, в основном базируются на манипуляциях многоуровневыми системами. Квантовые состояния, однако, очень нестабильные. Поэтому важно уместить в очень короткий отрезок времени так много вычислений, как только можно. Знание максимального числа операций, которые можно выполнить за время когеренции, позволяет использовать его оптимально.