Взлом реальности на уровне молекул. Физики научились переписывать квантовые состояния вещества

Квантовую запутанность чаще всего показывают на экспериментах с фотонами. Берут пару частиц света, создают их в связанном состоянии и разлетают в разные стороны. Затем измеряют, например, поляризацию каждого фотона. Результаты оказываются связаны между собой: изменение состояния одного фотона сразу отражается на втором, даже если между ними большое расстояние. Такие эксперименты лежат в основе проверок неравенств Белла и считаются классическим способом продемонстрировать запутанность.

Новая работа интересна тем, что переносит этот эффект в более «вещественную» среду. Физики посмотрели, как запутанность возникает не между абстрактными частицами света, а внутри реального процесса в молекуле — и попытались ею управлять. Причем на временах, которые измеряются аттосекундами, то есть настолько коротких интервалах, что электрон за это время едва успевает сместиться внутри атома.

Исследование провели ученые из Института Макса Борна, Автономного университета Мадрида и IMDEA Nanociencia. Статья вышла в Nature. Работа напрямую опирается на 2 направления, за которые недавно дали Нобелевские премии: эксперименты с запутанными частицами и методы генерации аттосекундных импульсов для изучения движения электронов.

В центре эксперимента — молекула водорода H₂. На нее направляют 2 сверхкоротких импульса экстремального ультрафиолета и добавляют более длинный инфракрасный импульс. В результате один электрон покидает молекулу. Остается молекулярный ион H₂⁺ и улетевший фотоэлектрон. Эти 2 части системы могут оказаться запутанными: состояние одной уже нельзя описать независимо от другой.

Дальше исследователи следят за тем, что происходит внутри оставшегося иона. После ухода электрона в молекуле остается «дырка» — область, где не хватает электронной плотности. Положение этой дырки показывает, как перераспределяется заряд. Чтобы увидеть такую динамику, оставшийся электрон должен находиться не в одном состоянии, а сразу в нескольких — в так называемой суперпозиции. Тогда появляется когерентность, то есть согласованное поведение, которое можно отследить во времени.

В конце ион распадается на атом водорода и протон. По тому, где оказывается электрон, можно понять, с какой стороны молекулы была локализована дырка. Так ученые фактически «считывают» результат сверхбыстрого процесса, который произошел сразу после ионизации.

Ключ к управлению системой оказался довольно простым параметром — задержкой между 2 аттосекундными импульсами. Когда физики меняли эту задержку, менялась и картина: вероятность обнаружить дырку с той или иной стороны начинала колебаться. Амплитуда колебаний показывает, насколько хорошо сохраняется когерентность в системе.

Самое важное наблюдение касается связи между запутанностью и когерентностью. Чем сильнее запутанность между ионом H₂⁺ и улетевшим электроном, тем хуже видно упорядоченное движение внутри молекулы. При ослаблении запутанности когерентность усиливается, и динамика становится более заметной. Получается прямой баланс: одно усиливается за счет другого.

Регулируя задержку между импульсами, исследователи научились сдвигать этот баланс в нужную сторону. По сути, появилась возможность управлять квантовым состоянием системы, а не просто наблюдать его.

Следующий шаг — попытка перенести этот подход на более сложные молекулы. Если удастся так же точно контролировать запутанность в больших системах, такие методы могут пригодиться в квантовых технологиях, где важно не только фиксировать состояние, но и настраивать его под задачу.