Квантовые корреляцииКвантовая физика — это игра удачи и случайности.
Первоначально атомы в холодном облаке атомов не имеют заранее определенного положения. Подобно кубику, вращающемуся в воздухе, где число еще не определено, атомы находятся во всех возможных положениях одновременно. Только когда они измерены, их положение фиксируется. «Мы направляем свет на облако атомов, которое затем поглощается атомами», — говорит Каспар Сакманн. «Атомы фотографируются, и это определяет их положение. Результат совершенно случайный».
Однако есть важное различие между квантовой случайностью и игрой в кости: если разные кости бросаются одновременно, их можно рассматривать как независимые друг от друга. Выбрасываем ли мы шестерку на кубике номер один или нет, это не влияет на результат кубика номер семь.
С другой стороны, атомы в атомном облаке квантово-физически связаны. Нет смысла анализировать их по отдельности, они представляют собой один большой квантовый объект.
Следовательно, результат каждого измерения положения любого атома математически сложным образом зависит от положений всех других атомов.«Нетрудно определить вероятность того, что частица будет обнаружена в определенном месте», — говорит Каспар Сакманн. «Вероятность наиболее высока в центре облака и постепенно уменьшается к внешним краям».
В классической случайной системе это была бы вся необходимая информация. Если мы знаем, что при броске кубиков вероятность любого числа равна одной шестой, то мы также можем определить вероятность выпадения трех кубиков с тремя кубиками. Даже если мы выбросим пять раз подряд, вероятность останется такой же в следующий раз.
С квантовыми частицами все сложнее.«Мы решаем эту проблему шаг за шагом», — говорит Сакманн. «Сначала мы вычисляем вероятность того, что первая частица будет измерена в определенном месте.
Распределение вероятности второй частицы зависит от того, где была обнаружена первая частица. Положение третьей частицы зависит от первых двух и так далее. " Чтобы можно было описать положение самой последней частицы, должны быть известны все остальные положения. Такая квантовая запутанность делает задачу математически чрезвычайно сложной.Только корреляции могут объяснить экспериментальные данные
Но эти корреляции между многими частицами чрезвычайно важны — например, для расчета поведения сталкивающихся бозе-эйнштейновских конденсатов. «Эксперимент показывает, что такие столкновения могут привести к особому виду квантовых волн. В определенных положениях мы находим много частиц, в соседнем положении мы не находим ни одной», — говорит Каспар Сакманн. «Если мы рассмотрим атомы по отдельности, это не может быть объяснено.
Только если мы примем во внимание полное квантовое распределение со всеми его высшими корреляциями, эти волны могут быть воспроизведены нашими расчетами».С помощью того же метода были рассчитаны и другие явления, например конденсаты Бозе-Эйнштейна, которые перемешиваются с помощью лазерного луча, так что возникают маленькие вихри — еще один типичный квантовый многочастичный эффект. «Наши результаты показывают, насколько важны эти корреляции и что их можно включить в квантовые вычисления, несмотря на все математические трудности», — говорит Сакманн.
Можно ожидать, что с некоторыми модификациями этот подход будет полезен и для многих других квантовых систем.