Фундаментальное открытие? Атомное ядро вращается по законам квантового «Колеса Фортуны»
Физики из Сингапура и Австралии экспериментально доказали, что вращение атомного ядра способно проявлять квантовые свойства, нарушая границы, установленные классической механикой. Используя ядро атома сурьмы, ученые зафиксировали отклонение от классического предела в серии прецизионных измерений. Этот результат не только подтверждает фундаментальные теории, но и предлагает новый инструмент для верификации состояний, необходимых для создания квантовых компьютеров.
Эксперимент с «квантовым колесом фортуны»
Исследовательская группа под руководством профессора Валерио Скарани (Национальный университет Сингапура) и профессора Андреа Морелло (Университет Нового Южного Уэльса) поставила задачу проверить, может ли процесс прецессии ядерного спина — явление, лежащее в основе магнитно-резонансной томографии — быть квантовым. Для этого они взяли ядро сурьмы-123 и привели его в особое «кошачье состояние» (суперпозицию), после чего заставили вращаться в магнитном поле.
Семь шагов для доказательства
Ключевой элемент эксперимента — протокол измерений. За каждый полный оборот ядра ученые проводили семь замеров его ориентации. В классической физике существует жесткое ограничение на вероятность получения определенного результата при таком подходе. Согласно расчетам, для системы с семью секторами «стрелка» может указать нужное направление не более четырех раз из семи. Однако квантовая модель предсказывала возможность превысить этот порог.
В ходе эксперимента ядро сурьмы, находясь в квантовом состоянии, действительно продемонстрировало результат, который невозможно объяснить классическими законами. Вероятность «выпадения» нужного направления оказалась выше максимально допустимой для классического гироскопа. «Раньше считалось, что наблюдение за прецессией ядерного спина не позволяет определить, является ли он квантовым объектом. Мы же показали, что это возможно», — прокомментировал профессор Морелло.
Создание «кошачьих состояний» и работа с многомерными квантовыми системами (кудитами) — одна из самых сложных задач в современной физике. Разработанный метод сертификации квантовости вращения, по мнению авторов работы, может стать стандартным инструментом для проверки корректности создания таких состояний в лабораторных условиях.
Эксперимент опирался на математические идеи Бориса Цирельсона, предложенные еще в начале 2000-х годов. Профессор Скарани адаптировал их для описания вращения квантовых объектов, а команда Морелло реализовала сложнейшую аппаратную часть, обеспечившую ювелирную точность измерений и подавление шумов.
Практическая значимость открытия выходит за рамки фундаментальной науки. Возможность надежно создавать и верифицировать «кошачьи состояния» в ядерных спинах — это прямой шаг к созданию более устойчивых и мощных кубитов для квантовых вычислителей. 2025 год, объявленный ООН Международным годом квантовой науки, получил наглядное подтверждение того, что даже спустя столетие квантовая механика продолжает менять наше представление о, казалось бы, привычных физических процессах.
