| | 7 февраля 2016 | Новости науки и техники
Ученые добились квантовой запутанности макроскопических объектов при комнатной температуре
В области квантовой физики получение квантовой запутанности частиц, более сложных, более больших и более тяжелых, нежели фотоны света, сопряжено со многими трудностями и это достигается в большинстве случаев при температурах, близких к температуре абсолютного нуля, в присутствии сильнейших магнитных полей. Однако, ученые из Чикагского университета и Национальной лаборатории Аргона успешно получили это сложное квантовое состояние при комнатной температуре. Кроме этого, квантовая запутанность была создана при помощи достаточно слабого магнитного поля между частями полупроводникового чипа, в составе которых насчитывалось большое количество атомов.
Когда две частицы, такие как фотоны, запутываются на квантовом уровне, они какое-то время продолжают взаимодействовать даже если их удалить друг от друга на большое расстояние. Если изменить квантовое состояние одной частицы, к примеру, поляризацию фотона, то состояние второй частицы моментально изменится соответствующим образом. Явление квантовой запутанности очень редко возникает естественным путем, слишком уж в экзотических условиях должны находиться запутываемые частицы. Возникновению запутанности мешает множество факторов, основным из которых является термодинамическая энтропия, а когда число вовлеченных в этот процесс частиц (атомов макрообъектов) увеличивается, получение запутанности становится практически недостижимым.
«Макроскопический мир, который мы видим вокруг себя, упорядочен только с первого взгляда. Но на самом деле, на уровне атомов в нем царит настоящий хаос» — рассказывает Пол Климов (Paul Klimov), ученый из Института молекулярных разработок (Institute for Molecular Engineering), — «Законы термодинамики, проявляющиеся на макроуровне, полностью препятствуют возникновению и наблюдениям квантовых явлений на этом уровне».
Понимая практическую ценность реализации квантовой запутанности на макроуровне, которая может стать основой новых электронных устройств, ученые нашли достаточно уникальный подход к этой проблеме. Используя инфракрасный лазер, они выровняли магнитные состояния (спины) многих тысяч электронов и ядер атомов и начали запутывать их, воздействуя на все это короткими импульсами электромагнитного излучения, форма и другие параметры которых практически повторяют форму импульсов, используемых в стандартной магнитно-резонансной томографии. В результате «бомбардировки» импульсами в области воздействия образовалось множество пар запутанных ядер атомов и электронов. Эти запутанные пары находились на поверхности полупроводникового чипа из карбида кремния, а занимаемая ими область имела размеры и объем, сопоставимые с размерами и объемом красной кровяной клетки, эритроцита.
«Нам известно, что спин-состояния ядер атомов, связанных с дефектами решетки полупроводникового материала, обладают превосходными квантовыми свойствами, проявляющимися даже при комнатной температуре» — рассказывает профессор Дэвид Ошалом (David Awschalom), — «Такие квантовые частицы являются стабильными, долгоживущими и ими достаточно просто управлять, используя методы фотоники и электроники. Используя эти частицы вполне можно получить состояние квантовой запутанности, и мы доказали это теоретическое утверждение на практике».
В принципе, методы, использованные учеными для получения запутанности областей кремний-карбидного полупроводника, можно использовать и по отношению к другим полупроводниковым материалам. А на основе этих материалов в недалеком будущем можно будет создать новые типы датчиков, в которых для увеличения их чувствительности и разрешающей способности будет использоваться запутанность. И, поскольку такая запутанность работает при нормальной температуре окружающей среды, а карбид кремния является биологически инертным материалом, то новые квантовые датчики могут быть помещены прямо внутрь живых организмов для контроля состояния их здоровья.
Ну а самыми очевидными областями применения высокотемпературной квантовый запутанности станут области коммуникаций, обработки информации и ряд других более экзотических технологий.