Экспериментально доказано хаотическое поведение квантовой системы

jula.jpg

Исследователи из Университета имени Уилфрида Лорье (Канада) и Аризонского университета (США), проводившие опыты с атомами цезия, установили связь между квантовой запутанностью и квантовым хаосом.

 

Математическая теория хаоса описывает некоторые динамические системы, поведение которых оказывается предельно чувствительно к начальным условиям. Такого рода чувствительность обычно обозначают термином "эффект бабочки", который ввел в обращение американский математик Эдвард Нортон Лоренц.

Хаотическое поведение в рамках классической физики легко продемонстрировать на примере вращающегося волчка, верхний конец оси которого может перемещаться по весьма замысловатой траектории, если его немного подтолкнуть. В квантовой механике действует принцип неопределенности Гейзенберга, что отражается на определении начального состояния системы и резко усложняет задачу экспериментатора.

В своих опытах ученые использовали атомы цезия, охлажденные с помощью лазера, — "квантовые волчки". Роль оси в данном случае играет спин атома, воздействовать на который можно с помощью магнитных полей и лазерных импульсов. Если бы квантовый волчок вел себя подобно классическому, объясняют исследователи, результаты воздействия на него зависели бы от начального направления спина. В тех случаях, когда оно принадлежит одному из трех выделенных подмножеств всех возможных направлений (так называемых островков стабильности), "подталкивание" спина не должно приводить к хаотическим изменениям его направления.

Для наблюдения за изменением квантового состояния атома использовалась томографическая методика, концептуально близкая к аксиальной компьютерной томографии. В результате выяснилось, что в экспериментах спин реагировал на воздействия именно так, как предсказывала теория: если все начиналось с "островка стабильности", направление спина менялось упорядоченным образом, а в противном случае изменения носили хаотический характер. "Похоже на то, что квантовая система "знает" о классических законах и в точности соблюдает их", — отмечает один из участников исследования Поул Джессен (Poul Jessen).

Завершив эту серию опытов, авторы задались целью обнаружить связь между хаотическим поведением и квантовой запутанностью. "Запутанными" в данном случае могут стать спин валентного электрона цезия и спин его ядра. Изначально указанные параметры не были связаны друг с другом; в ходе нового эксперимента ученые воздействовали на атомы и наблюдали за тем, как это отразится на спинах. "Оказалось, что в атомах, отличавшихся хаотическим поведением, спины быстро пришли в состояние квантовой запутанности", — сообщает г-н Джессен.

Таким образом, подтвержден давно известный факт: квантовые системы чрезвычайно чувствительны к изменениям внешних условий. 

Источник: Компьюлента