Эта легкая частица больше похожа на шар, летящий в космосе, или на грязное месиво, которое одновременно повсюду?

Ответ зависит от того, действуют ли абсурдные законы субатомных частиц или детерминированные уравнения, управляющие более крупными объектами. Теперь физики впервые нашли способ математически определить степень квантовости чего-либо - будь то частица, атом, молекула или даже планета. Результат предлагает способ количественной оценки квантовости и определения «наиболее квантовых состояний» системы, которые команда называет «королями и королевами квантовости».

Помимо углубления нашего понимания Вселенной, эта работа может найти применение в квантовых технологиях, таких как детекторы гравитационных волн и сверхточные измерительные устройства.

Сердце реальности

В субатомном сердце реальности царит причудливый мир квантовой механики. В соответствии с этими хитроумными правилами крошечные субатомные частицы, такие как электроны, могут быть спарены в странные суперпозиции состояний - а это означает, что электрон может существовать в нескольких состояниях одновременно - и их положение вокруг атома и даже их импульсы не фиксируются до тех пор, пока они наблюдаются. Эти крохотные частицы даже способны проникать сквозь, казалось бы, непреодолимые препятствия.

С другой стороны, классические объекты подчиняются обычным повседневным правилам нашего опыта. Бильярдные шары сталкиваются друг с другом; пушечные ядра летят по параболическим дугам; а планеты вращаются вокруг своих орбит в соответствии с хорошо известными физическими уравнениями.

Исследователи давно размышляли над этим странным положением вещей, когда одни сущности в космосе могут быть определены классически, в то время как другие подчиняются вероятностным квантовым законам, то есть вы можете измерить только вероятные результаты.

Но «согласно квантовой механике все является квантовой механикой», - сказал Live Science Аарон Голдберг, физик из Университета Торонто в Канаде и ведущий автор новой статьи. «То, что вы не видите этих странных вещей каждый день, не означает, что их там нет».

Голдберг имеет в виду, что классические объекты, такие как бильярдные шары, являются секретными квантовыми системами, поэтому существует некоторая бесконечно малая вероятность того, что они, скажем, туннелируют через край бильярдного стола. Это предполагает, что существует континуум, в котором «классичность» на одном конце, а «квантовость» - на другом.

Некоторое время назад один из соавторов Голдберга, Луис Санчес-Сото из Мадридского университета Комплутенсе в Испании, читал лекцию, когда один из участников спросил его, в каком наиболее квантовом состоянии может находиться система ». Это сработало. все », - сказал Санчес-Сото Live Science.

Предыдущие попытки количественной оценки квантовости всегда относились к конкретным квантовым системам, например, содержащим частицы света, и поэтому результаты не обязательно могли быть применены к другим системам, которые включали в себя другие частицы, такие как атомы. Голдберг, Санчес-Сото и их команда вместо этого искали обобщенный способ определения крайностей в квантовых состояниях.

«Мы можем применить это к любой квантовой системе - атомам, молекулам, свету или даже их комбинациям - используя те же руководящие принципы», - сказал Голдберг. Команда обнаружила, что эти квантовые крайности могут быть как минимум двух разных типов, назвав одних Королями, а других Королевами за их превосходный характер.

Они сообщили о своих выводах 17 ноября в журнале. AVS Quantum Science.

Итак, что именно означает «самое квантовое»? Здесь работа усложняется, поскольку она в высшей степени математична и трудна для визуализации.

Но Питер Кок, физик из Шеффилдского университета в Англии, который не участвовал в написании новой статьи, предложил способ получить некоторое представление о ней. Одна из самых основных физических систем - это простой гармонический осциллятор, то есть шарик на конце пружины, движущийся вперед и назад, сказал Кок Live Science.

Квантовая частица была бы классической крайностью, если бы она вела себя как эта система шариков и пружин, обнаруживаемая в определенные моменты времени на основе полученного ею первоначального удара. Но если бы частица была квантово-механически размазана так, чтобы у нее не было четко определенного положения и она находилась бы на пути движения пружины и шара, она была бы в одном из этих квантовых крайних состояний.

Несмотря на их необычность, Кок считает полученные результаты весьма полезными и надеется, что они найдут широкое применение. По его словам, знание того, что существует фундаментальный предел, при котором система действует максимально квантово, - все равно что знать, что существует скорость света.

«Это накладывает ограничения на вещи, которые сложно анализировать», - добавил он.

Голдберг сказал, что наиболее очевидные приложения должны исходить из квантовой метрологии, где инженеры пытаются измерить физические константы и другие свойства с чрезвычайной точностью. Детекторы гравитационных волн, например, должны уметь измерить расстояние между двумя зеркалами не превышает 1/10 000 размера атомного ядра. Используя принципы команды, физики могли бы улучшить этот впечатляющий подвиг.

Но результаты могут также помочь исследователям в таких областях, как волоконно-оптическая связь, обработка информации и квантовые вычисления. «Вероятно, есть много приложений, о которых мы даже не думали», - взволнованно сказал Голдберг.

Источник