Правительственные ученые открыли совершенно новый вид квантовой запутанности

 Открытие ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории может пролить свет на самые разные темы, от квантовых вычислений до астрофизики.

Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили совершенно новый вид квантовой запутанности — явления, которое заставляет частицы странным образом связываться даже на огромных космических расстояниях, сообщается в новом исследовании. Открытие позволило им получить беспрецедентное представление о причудливом мире внутри атомов, крошечных строительных блоков материи.

Головоломное исследование раскрывает давнюю загадку ядер атомов, которые содержат частицы, называемые протонами и нейтронами, и может помочь пролить свет на самые разные темы, от квантовых вычислений до астрофизики.

Захватывающие открытия были сделаны на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), специализированном объекте в Брукхейвене в Нью-Йорке, который может разгонять заряженные атомы, известные как ионы, почти до скорости света. Когда эти ионы сталкиваются — или даже просто проходят рядом друг с другом — их взаимодействия обнажают внутреннюю работу атомов, которая управляется тройственными законами квантовой механи

В этом крошечном царстве происходят всевозможные странные вещи, но квантовая запутанность, в частности, настолько странна, что Альберт Эйнштейн назвал ее «жутким действием на расстоянии». или импульс) синхронизироваться, даже если они разделены миллиардами световых лет. Квантовая запутанность демонстрировалась бесчисленное количество раз в лабораториях, но запутанные частицы всегда принадлежали к одной и той же группе и обладали одним и тем же зарядом, как фотоны, которые нет заряда или электронов, которые заряжены отрицательно.

Теперь ученые из Брукхейвена впервые зафиксировали интерференционные картины, создаваемые запутыванием двух частиц с разными зарядами. Это открытие открыло совершенно новое окно в таинственные внутренности атомов, из которых состоит видимая материя. Вселенной, согласно исследованию, опубликованному в среду в журнале Science Advances.

«В прошлом никогда не проводилось никаких измерений интерференции между различимыми частицами», — сказал Даниэль Бранденбург, профессор физики в Университете штата Огайо, соавтор нового исследования, в разговоре с Motherboard. «Это открытие; приложение заключается в том, что мы можем использовать его, чтобы заняться ядерной физикой».

«В каком-то смысле я даже не пытался найти что-то настолько фундаментальное в квантовой механике», — продолжил он. «Когда мы поняли, что здесь происходит что-то действительно интересное, это было для меня большим сюрпризом».

Бранденбург и его коллеги достигли этой вехи с помощью чувствительного детектора под названием Solenoid Tracker в RHIC, или STAR, который улавливал взаимодействия между ионами золота, разогнанными до скорости света. Облака фотонов, которые являются частицами, переносящими свет, окружают ионы и взаимодействуют с частицами другого типа, называемыми глюонами, которые удерживают атомные ядра вместе.

Эти встречи между фотонами и глюонами запустили цепочку событий, которые в конечном итоге создали две новые частицы, называемые пионами, которые имеют противоположные заряды — один положительный и один отрицательный. Когда эти пионы попали в детектор STAR, прецизионный прибор измерил некоторые из их ключевых свойств, такие как скорость и угол столкновения, которые затем использовались для исследования размера, формы и расположения глюонов внутри атомных ядер с точностью, никогда раньше не достигался.

«Это похоже на микроскоп в том смысле, что вы используете фотон, чтобы посмотреть на что-то», — объяснил Бранденбург. «В этом случае мы используем фотоны очень, очень высокой энергии, длина волны которых достаточно коротка, чтобы мы действительно могли заглянуть внутрь атома».

Ученые и раньше получали изображения атомных ядер при более низких энергиях, но попытки исследовать эти структуры при высоких энергиях всегда приводили к загадочным результатам. Согласно моделям, ядра в этих экспериментах выглядят намного больше, чем должны, и этот результат десятилетиями озадачивал ученых.

Теперь коллаборация STAR решила эту загадку, обнаружив эффект размытия, связанный с фотонами в эксперименте. По сути, прошлые исследования зафиксировали одномерные проблески ядер, которые не учитывали важные закономерности в фотонах, такие как направление их поляризации. Новое исследование включало эту информацию о поляризации, что позволило Бранденбургу и его коллегам исследовать ядра под двумя углами, параллельно и перпендикулярно движению фотона, создавая двумерное изображение, соответствующее теоретическим предсказаниям.

Более того, команда даже может приблизительно определить положение ключевых частиц в ядре, таких как протоны и нейтроны, а также распределение глюонов. Он также предлагает новый способ разгадать загадки о поведении атомов при высоких энергиях.

«Когда вы заглядываете глубже внутрь ядра, в части ядра, которые имеют все меньше и меньше энергии, они очень важны для того, как ядро держится вместе, но на самом деле мы мало что знаем об этой части ядра. — сказал Бранденбург. «Итак, когда вы переходите к все более и более высоким энергиям, вы действительно не знаете, как это выглядит».

«Вот почему будет проведено больше измерений с более высокой точностью, чтобы действительно сделать заявление об этой энергетической зависимости и о том, что делает сердцевина ядра в этих разных масштабах», — добавил он.

К этому моменту Бранденбург надеется повторить этот метод и его версии на RHIC и других объектах, таких как Большой адронный коллайдер, чтобы выявить давно скрытые детали внутри атомных ядер.

Взгляд на атомы при высоких энергиях может помочь ученым решить некоторые из самых неразрешимых проблем в науке, в том числе великую тайну того, как квантовый мир может сосуществовать с нашей реальностью, которая подчиняется гораздо более знакомым правилам классической физики. У него также есть практическое применение, особенно для квантовых вычислений — технологии, которая призвана произвести революцию в вычислениях с использованием странных правил квантового мира.

«Изучая различные ядра и рассматривая этот процесс с большей точностью, мы можем начать узнавать все больше и больше деталей», — заключил Бранденбург. «То, что мы сделали здесь, является доказательством концепции, но возможностей гораздо больше».

Источник