Ученые из Немецкого центра авиации и космонавтики (DLR) в Ганновере успешно продемонстрировали эффект Хонга-Оу-Манделя (HOM) с участием до 12 неразличимых нейтральных атомов. Этот поразительный квантовый феномен, ранее изучавшийся преимущественно на безмассовых фотонах, открывает путь к сверхточным измерениям в будущем. Статья опубликована в журнале Nature Physics.
Знаменитый эффект Хонга-Оу-Манделя — это чисто квантовое явление, всецело основанное на принципе неразличимости частиц. Когда два идентичных бозона встречаются на специальном светоделителе 50:50, они всегда выходят вместе через один и тот же порт, то есть физически «группируются». Одиночная частица при этом никогда не обнаруживается на выходе.
Впервые этот странный эффект наблюдался на парах фотонов еще в 1987 году и с тех пор стал центральным элементом развивающейся квантовой информатики. Однако для большого числа частиц реализовать этот процесс гораздо сложнее. Когда сразу множество неразличимых частиц попадают в делитель, наиболее вероятным исходом становится самый экстремальный — все частицы скапливаются только в одном выходном порту.
Для того чтобы провести подобный сложнейший эксперимент, исследователи создали конденсат Бозе-Эйнштейна из примерно 250 атомов рубидия в магнитно-оптической дипольной ловушке. Процесс, называемый столкновениями с изменением спина, позволил создать строго равное количество атомов в двух различных спиновых состояниях для последующей проверки эффекта.
Идеальный подсчет атомов с помощью лазеров
Ключевой технологической трудностью в эксперименте был безошибочный подсчет атомов на выходе, необходимый для доказательства истинной многочастичной интерференции. Для решения этой проблемы команда использовала лазерный свет в специальной конфигурации «оптической патоки», равномерно состоящей из шести направленных лучей.
Благодаря этому атомы гораздо дольше оставались на месте и ярко излучали флуоресцентный свет, из-за чего уровень аппаратного шума упал ниже сигнала от одного атома, обеспечив почти идеальное разрешение счета. Команда успешно зафиксировала ожидаемое распределение для групп вплоть до 12 атомов, достигнув гейзенберговского предела точности, что позволит в будущем создавать невероятно точные квантовые сенсоры.
Ранее сообщалось, что NASA создает на МКС экзотические квантовое вещество.
