Квантовые частицы никогда полностью не забывают, откуда они пришли

Фото из открытых источников

Квантовое родимое пятно увеличивает вероятность возвращения хаотической частицы в исходное состояние как минимум вдвое, даже спустя очень долгое время. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review X.

Добавьте каплю молока в чашку чая, и через несколько секунд уже невозможно будет сказать, куда эта капля упала первой. Подобное хаотическое смешение стирает любые следы исходной точки. Новые исследования показывают, что в квантовом мире атомов и электронов это стирание никогда не заканчивается.

Физики из Тамперского университета в Финляндии, Гарвардского университета и Дрезденского технического университета в Германии называют оставшиеся после этого явления квантовым родимым пятном.

Даже частица, хаотично перемещающаяся в пространстве, имеет как минимум вдвое большую вероятность вернуться в исходное состояние, чем в любом сопоставимом состоянии. Это справедливо, если усреднить движение за очень длительный период времени. Работа носит теоретический характер, основана на математике и компьютерном моделировании, а не на лабораторном эксперименте.

«В повседневной жизни хаос стирает все следы. Мы обнаружили, что квантовые системы не могут скрыть своего происхождения, даже в условиях хаоса», — сказал соавтор исследования Йоонас Кески-Рахконен из Лаборатории вычислительной физики в Тампере.

Команда работала с одним из старейших примеров из области физики: шаром, бесконечно отскакивающим от бильярдного стола с закругленными краями. Физики называют такую форму стадионом, и волны в подобных пространствах неправильной формы, как правило, приобретают хаотичный характер.

Настоящий шар на этом столе каждый раз отскакивает от изогнутых стенок в новом направлении. Если следить за ним достаточно долго, он посетит каждую точку одинаково, не оставляя и следа от того, где он начал движение.

Частицы размером с электроны ведут себя совсем не как бильярдные шары. Они распространяются подобно ряби на воде, и максимум, что может сказать физик, это насколько вероятно обнаружение частицы в одном месте, а не в другом.

Небольшая, сгруппированная рябь такого рода называется волновым пакетом. Исследователи смоделировали волновые пакеты внутри стадиона с мягкими стенами, в которые частица могла бы немного проникать, что ближе к тому, с чем сталкиваются электроны в наноразмерных устройствах. После нескольких отскоков каждый волновой пакет выглядел как случайный шум, рассеянный по всему стадиону.

В любой момент этот шум казался ничем не примечательным. Воспоминания о нем всплыли только тогда, когда команда усреднила движение за очень длительный период времени. В среднем, вероятность того, что волновой пакет вернется в исходное состояние, была как минимум вдвое выше, чем в типичном состоянии с той же энергией.

Для некоторых типов начальных состояний минимум возрастает в три раза. Преимущество принадлежало не только первому моменту. Каждая форма, через которую проходил волновой пакет на своем пути, сохраняла его, и результат оставался неизменным независимо от того, когда команда начинала усреднять значения.

Классическая физика не предсказывает никакого преимущества. Согласно расчетам команды, каждая изолированная квантовая система, которая не находится в изначально установившемся состоянии, имеет свои собственные недостатки.

Чтобы выяснить, что делает родимое пятно более заметным, команда запустила четыре пакета волн. Трое покинули центр стадиона, двигаясь по повторяющимся траекториям: прямо вверх и вниз, прямо в стороны и в форме бабочки. Четвертый начал движение не по центру, по обычной, хаотичной траектории.

Обычный запуск показал результат, близкий к минимальному, примерно 1,8 раза. Команда отметила, что один волновой пакет может приземлиться немного меньше чем в два раза, поскольку два — это средний показатель. Взлет и падение, сопровождавшиеся постоянными отскоками от исходной точки, достигли примерно 6,6 раз, а на стадионе с жесткими стенами — около 8 раз.

Ранние отскоки имели наибольшее значение. Рябь от второго удара волнового пакета о стену все еще отражалась в долгосрочном среднем значении. Даже самый обычный волновой пакет достигал лишь примерно половины возможных комбинаций положения и направления. Классический шар в конечном итоге покрыл бы их все.

В 1984 году Эрик Хеллер, физик из Гарварда и соавтор нового исследования, обнаружил, что некоторые квантовые состояния сохраняют четкие отпечатки вдоль повторяющихся путей, узор, называемый квантовым рубцеванием.

Шрамы долгое время считались редким исключением из хаоса. Теперь же команда рассматривает их как один из случаев чего-то более масштабного: шрам — это родимое пятно, которое становится более заметным из-за пути, по которому частица постоянно возвращается.

Кески-Рахконен связал полученный результат с более широким вопросом. «Это важно не только с точки зрения классической физики. Это говорит о том, как квантовые системы приходят в равновесие и как наш привычный классический мир возникает из квантово-механических правил», — сказал он.

Он также указал на практическую сторону вопроса. «Например, важно, что система, которая незаметно запоминает свою начальную точку, ведет себя иначе, чем та, которая ее забывает», — сказал Кески-Рахконен.

В крошечных электронных устройствах, содержащих даже тысячи электронов, ряд статистических показателей обычно в три и более раз превышают значения, которые можно было бы предсказать на основе случайного поведения.

Математическая модель предполагает существование квантовой системы, изолированной от окружающей среды. Как только такая система начинает передавать информацию в окружающий мир, универсальная составляющая родимого пятна исчезает. Затем частица начинает вести себя больше как классический мяч, хотя следы от первых отскоков могут оставаться.

Пока что команда не проверяла эту идею в лабораторных условиях. Интенсивность проявления родимого пятна также зависит от того, что именно будут измерять физики, и исследователи считают это важным вопросом для будущих исследований.

Они предлагают проводить исследования с помощью квантовых симуляторов — машин, похожих на квантовые компьютеры, которые создаются из тщательно контролируемых атомов. В таких машинах физики могут устанавливать количество состояний, которые может вместить система, например, чтобы проверить, сохраняется ли «родимое пятно» по мере роста системы.

На данный момент родимое пятно существует только на бумаге и в симуляциях. Следующий шаг — измерение его размеров в реальном устройстве, достаточно изолированном для того, чтобы его можно было зафиксировать.