В повседневной жизни, когда два объекта «неразличимы», это происходит из-за несовершенства знаний. Подобно тому, как уличный фокусник перемешивает стаканчики и шарики, вы, в принципе, можете отслеживать, какой шарик какой, когда они передаются между стаканчиками. Однако в самых маленьких масштабах природы даже фокусник не сможет отличить один шар от другого.

Истинная неотличимость такого типа может фундаментально изменить поведение шаров. Например, в классическом эксперименте Хонга, Оу и Манделя два одинаковых фотона (шарика), падающие на противоположные стороны полуотражающего зеркала, всегда выходят с одной и той же стороны зеркала (в одной и той же чашке). Это результат особого рода интерференции, а не какого-либо взаимодействия между фотонами. При наличии большего количества фотонов и зеркал эта интерференция становится чрезвычайно сложной.

Измерение структуры фотонов, выходящих из заданного лабиринта зеркал, известно как «выборка бозонов». Считается, что выборку бозонов невозможно смоделировать на классическом компьютере для более чем нескольких десятков фотонов. В результате были предприняты значительные усилия по проведению таких экспериментов с реальными фотонами и демонстрации того, что квантовое устройство выполняет конкретную вычислительную задачу, которую невозможно выполнить классически. Кульминацией этих усилий стали недавние заявления о квантовом преимуществе использования фотонов.

Теперь в недавно опубликованной статье в журнале Nature научный сотрудник JILA, физик NIST и профессор физики Боулдера Университета Колорадо Адам Кауфман и его команда вместе с сотрудниками NIST (Национальный институт стандартов и технологий) продемонстрировали новый метод бозонного анализа. отбор проб с использованием ультрахолодных атомов (в частности, бозонных атомов) в двумерной оптической решетке пересекающихся лазерных лучей.

Используя такие инструменты, как оптический пинцет, можно получить определенные узоры из идентичных атомов. Атомы могут распространяться через решетку с минимальными потерями, а их положение после прохождения определяется с почти идеальной точностью. Результатом является реализация выборки бозонов, которая является значительным шагом вперед по сравнению с тем, что было достигнуто ранее либо в компьютерном моделировании, либо с помощью фотонов.

«Оптические пинцеты позволили провести новаторские эксперименты в физике многих тел, часто для изучения многих взаимодействующих атомов, где атомы закреплены в пространстве и взаимодействуют на больших расстояниях», — говорит Кауфман. «Однако большой класс фундаментальных проблем многих тел — так называемые системы «Хаббарда» — возникает, когда частицы могут как взаимодействовать, так и туннелировать, квантово-механически распространяясь в пространстве. На ранних этапах построения этого эксперимента у нас была цель применить эту парадигму пинцета для крупномасштабных систем Хаббарда — эта публикация знаменует собой первую реализацию этого видения».

Техники для лучшего контроля

Для достижения этих результатов исследователи использовали несколько передовых методов, в том числе оптические пинцеты — высокофокусированные лазеры, которые могут перемещать отдельные атомы с исключительной точностью — и передовые методы охлаждения, которые приближают температуру атомов к абсолютному нулю, сводя к минимуму их движение и позволяя точно контроль и измерение.

Подобно тому, как увеличительное стекло создает точечный укол света при фокусировке, оптический пинцет может удерживать отдельные атомы в мощных лучах света, позволяя перемещать их с чрезвычайной точностью. Используя этот пинцет, исследователи подготовили определенные структуры из до 180 атомов стронция в решетке из 1000 узлов, образованной пересекающимися лазерными лучами , которые создают решетчатую структуру ям потенциальной энергии для улавливания атомов. Исследователи также использовали сложные методы лазерного охлаждения для подготовки атомов, гарантируя, что они останутся в состоянии с самой низкой энергией, тем самым уменьшая шум и декогеренцию — распространенные проблемы в квантовых экспериментах.

Физик NIST Шон Геллер объяснил, что охлаждение и подготовка гарантировали, что атомы были максимально идентичными, удаляя любые ярлыки, такие как индивидуальные внутренние состояния или двигательные состояния, которые могли отличать данный атом от других.

«Добавление метки означает, что Вселенная может определить, какой атом какой, даже если вы, будучи экспериментатором, не видите метку», — говорит первый автор и бывший аспирант JILA Аарон Янг. «Наличие такой метки превратило бы эту абсурдно сложную проблему выборки в совершенно тривиальную».

Вопрос масштабирования

По той же причине, по которой выборку бозонов трудно смоделировать, непосредственная проверка того, что задача выборки была выполнена правильно, невозможна для экспериментов со 180 атомами. Чтобы решить эту проблему, исследователи взяли образцы атомов в различных масштабах.

По словам Янга: «Мы проводим тесты с двумя атомами, где мы очень хорошо понимаем, что происходит. Затем, на промежуточном уровне, где мы все еще можем моделировать вещи, мы можем сравнить наши измерения с симуляциями, включающими разумные модели ошибок для нашего эксперимента. В целом масштабе мы можем постоянно варьировать сложность задачи отбора проб, контролируя различимость атомов и подтверждая, что ничего существенного не происходит».

Геллер добавляет: «Мы разработали тесты, которые используют известную нам физику, чтобы объяснить то, что, по нашему мнению, происходит».

Благодаря этому процессу исследователи смогли подтвердить высокую точность подготовки атомов и последующей эволюции квантовых состояний атомов по сравнению с предыдущими демонстрациями выборки бозонов. В частности, очень низкие потери атомов по сравнению с фотонами во время эволюции атомов не позволяют использовать современные вычислительные методы, которые бросают вызов предыдущим демонстрациям квантовых преимуществ.

Продемонстрированная в данной работе качественная и программируемая подготовка, эволюция и детектирование атомов в решетке может быть применена в ситуации, когда атомы взаимодействуют. Это открывает новые подходы к моделированию и изучению поведения реальных и плохо изученных квантовых материалов.

«Использование невзаимодействующих частиц позволило нам перенести эту конкретную проблему отбора бозонов в новый режим», — говорит Кауфман. «Тем не менее, многие из наиболее физически интересных и вычислительно сложных проблем возникают с системами многих взаимодействующих частиц. В будущем мы ожидаем, что применение этих новых инструментов к таким системам откроет двери для многих захватывающих экспериментов».