Учёные из Венского технического университета (TU Wien) совместно с исследовательскими группами из Китая разработали компьютерные симуляции, которые позволяют моделировать сверхбыстрые процессы и исследовать временное развитие квантовых эффектов. Результаты их работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Квантовая теория описывает события, происходящие в чрезвычайно короткие временные масштабы. Однако сегодня можно исследовать временное развитие почти «мгновенных» эффектов. Исследователи рассматривали атомы, которые были подвержены чрезвычайно интенсивным и высокочастотным лазерным импульсам. В ходе этого процесса электрон вырывается из атома и улетает. Если излучение достаточно сильное, то возможно, что второй электрон атома также подвергается воздействию: он может быть смещён в состояние с более высокой энергией, а затем вращаться вокруг атомного ядра по другому пути.
Исследовательская группа смогла показать, используя подходящий протокол измерений, который объединяет два разных лазерных луча, что возможно достичь ситуации, в которой «время рождения» улетающего электрона, т. е. момент, когда он покинул атом, связано с состоянием оставшегося электрона. Эти два свойства квантово запутаны.
«Это означает, что «время рождения» улетающего электрона в принципе неизвестно. Можно сказать, что сам электрон не знает, когда он покинул атом. Он находится в квантово-физической суперпозиции различных состояний. Он покинул атом как в более ранний, так и в более поздний момент времени», — говорит профессор Иоахим Бургдёрфер из Института теоретической физики Венского технического университета.
В какой момент времени это было «на самом деле», ответить невозможно — «фактического» ответа на этот вопрос просто не существует в квантовой физике. Но ответ квантово-физически связан с — также неопределённым — состоянием электрона, оставшегося в атоме. Если оставшийся электрон находится в состоянии более высокой энергии, то улетевший электрон, скорее всего, был вырван в более ранний момент времени; если оставшийся электрон находится в состоянии более низкой энергии, то «время рождения» улетевшего свободного электрона, скорее всего, было позже — в среднем около 232 аттосекунд.
Это почти невообразимо короткий период времени: аттосекунда — это миллиардная миллиардной доли секунды. «Однако эти различия можно не только вычислить, но и измерить экспериментально. Мы уже ведём переговоры с исследовательскими группами, которые хотят доказать такие сверхбыстрые запутывания», — говорит Бургдёрфер.
Работа показывает, что недостаточно рассматривать квантовые эффекты как «мгновенные». Важные корреляции становятся видимыми только тогда, когда удаётся разрешить сверхкороткие временные масштабы этих эффектов.
«Электрон не просто выпрыгивает из атома. Это волна, которая выплёскивается из атома, так сказать, и это занимает определённое время. Именно в этой фазе происходит запутывание, эффект которого затем можно точно измерить позже, наблюдая за двумя электронами», — говорит профессор Ива Бржезинова, один из авторов публикации.