Эйнштейн называл это «жутким действием». Теперь оно поможет создать самые точные часы в истории

Измерение окружающего мира с высокой точностью — гораздо более сложная задача, чем может показаться. На очень малых масштабах природа ведёт себя хаотично, а правила квантовой физики делают даже самые лучшие приборы немного неопределёнными. Это ограничивает точность измерения таких величин, как электромагнитные поля, гравитация или время.

Теперь новое исследование показало, что квантовая запутанность может помочь преодолеть эти ограничения совершенно новым способом. Связывая атомы, находящиеся в разных местах, авторы исследования нашли способ измерять изменения физических величин в пространстве с гораздо большей точностью.

Эта работа превращает когда-то теоретическую идею в практический метод, который может улучшить некоторые из самых точных измерительных инструментов, когда-либо созданных.

«До сих пор никто не проводил такие квантовые измерения с пространственно разделёнными запутанными атомными облаками, и теоретическая основа для таких измерений также оставалась неясной», — заявил Ифань Ли, один из авторов исследования и постдокторант Базельского университета.

Эксперимент начинается с атомов, охлаждённых до экстремально низких температур, где квантовые эффекты становятся доминирующими. Каждый из этих атомов ведёт себя как крошечный вращающийся магнит. Направление этого спина меняется в ответ на электромагнитные поля, что делает его чувствительным зондом окружающей среды.

Обычно, когда многие атомы измеряются независимо, их случайные квантовые флуктуации суммируются и ограничивают точность. Чтобы обойти это, физики используют запутанность — квантовый эффект, который связывает частицы таким образом, что их поведение становится скоррелированным, даже когда они находятся далеко друг от друга.

В более ранних экспериментах запутанность уже использовалась для улучшения измерений, но только когда все атомы находились в одном месте. Это означало, что учёные могли очень хорошо измерить одну точку, но не то, как поле меняется от одной позиции к другой.

Разделение запутанных атомов без разрушения их связи оставалось нерешённой проблемой как экспериментально, так и теоретически. Исследователи решили это, изменив порядок операций. Вместо того чтобы сначала разделять атомы, они начали с единого облака сверхолодных атомов и запутали их спины, пока атомы всё ещё находились вместе.

Только после установления этой квантовой связи они разделили облако на более мелкие части, разместив их в разных местах. Удивительно, но запутанность пережила разделение, позволив отдалённым атомным облакам продолжать вести себя как части единой квантовой системы, отражая тот тип дальнодействующих корреляций, который подчёркивается в парадоксе Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР).

«Теперь мы расширили эту концепцию, распределив атомы в до трёх пространственно разделённых облаков. В результате эффекты запутанности действуют на расстоянии, точно так же, как в парадоксе ЭПР», — сказал Филипп Тройтляйн, один из авторов исследования и профессор Базельского университета.

Каждое разделённое облако ощущало немного другую часть электромагнитного поля. Комбинируя информацию со всех местоположений, исследователи смогли определить, как поле изменяется в пространстве. Поскольку облака были запутаны, обычная квантовая неопределённость была уменьшена, а возмущения, которые одинаково влияли на все атомы, в значительной степени нивелировались.

Команда также разработала недостающую теоретическую основу, необходимую для описания таких измерений, показав, как можно минимизировать неопределённость при одновременной оценке нескольких параметров с использованием пространственно распределённой запутанности.

Эта работа представляет новый тип квантового сенсора — распределённый в пространстве, но функционирующий как единый скоординированный инструмент. Методика может быть непосредственно применена к оптическим решёточным часам, которые полагаются на большое количество атомов, расположенных в пространстве, для измерения времени.

Уменьшая ошибки, вызванные вариациями положения атомов, эти часы могут достичь ещё более высоких уровней точности. Метод также перспективен для атомных гравиметров, где обнаружение того, как гравитация меняется в разных местах, важнее, чем измерение её средней силы.

Однако предложенный подход технически сложен. Поддержание запутанности при разделении и управлении несколькими атомными облаками требует экстремальной стабильности и точности, и расширение метода на большие расстояния или большее количество точек измерения будет непростой задачей.

Исследователи теперь планируют усовершенствовать свои протоколы и протестировать их в реальных прецизионных приборах.

Исследование опубликовано в журнале Science.