Физики доказали квантовую природу вращения атомного ядра: эксперимент опроверг полувековую теорию

18.02.2025 09:05:00 | iXBT.com

Учёные из Национального университета Сингапура (NUS) и Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее доказали, что вращающееся атомное ядро действительно является фундаментальным квантовым ресурсом. Это открытие бросает вызов устоявшимся представлениям о поведении субатомных частиц.

Долгое время считалось, что мельчайшие частицы, такие как электроны или протоны, проявляют квантовые свойства только при взаимодействии с магнитным полем. Однако при свободном вращении они, казалось, вели себя точно так же, как классические вращающиеся объекты. Это представление было настолько укоренившимся, что специалистам, работающим с магнитно-резонансными томографами (МРТ), не было необходимо понимание квантовой механики для интерпретации результатов.

Диаграмма, иллюстрирующая доказательство квантового спина. На левом изображении показано классическое «колесо фортуны», где максимум затенённых секторов с обеих сторон никогда не может быть больше четырёх. На среднем изображении показана квантово-размытая вероятность обнаружения спина, указывающего в определённом направлении. Справа находится функция вероятности поразительного неклассического состояния «кота Шрёдингера», где спин находится в суперпозиции, указывающей в противоположных направлениях. Этот спин возвращает вероятность быть положительным, равную 0,636, что больше классического максимума 0,571, тем самым доказывая, что спин находится в состоянии, которое не может быть описано классической физикой. Источник: Newton (2025). DOI: 10.1016/j.newton.2025.100017

Профессор Валерио Скарани из Департамента физики NUS и научный профессор Андреа Морелло из Инженерной школы UNSW возглавили исследовательские группы, которые провели более сложные измерения на одиночном атоме, чтобы чётко продемонстрировать квантовое поведение вращающихся ядер.

Идея исследования возникла у профессора Скарани после ознакомления с работой российско-израильского математика Бориса Цирельсона, опубликованной 15 лет назад. Цирельсон исследовал вероятность обнаружения объектов в определённых местах при их ритмичном движении. Скарани задался вопросом, можно ли применить эту работу к поведению одиночных квантовых объектов при их вращении.

Сотрудничество с профессором Морелло из Школы электротехники и телекоммуникаций UNSW обеспечило необходимые навыки и сверхточное измерительное оборудование для проведения экспериментов, которые подтвердили теорию. Команда привела в движение спин ядра сурьмы и провела семь измерений за каждый цикл вращения, чтобы проверить, указывает ли он в положительном направлении.

Классическая теория предсказывала, что вероятность обнаружения стрелки, указывающей вправо, составляет либо 4 из 7, либо 3 из 7. Однако квантовая теория предсказывала, что в особом состоянии, которое учёные хотели создать, можно наблюдать более высокую вероятность. Эксперимент подтвердил квантовое предсказание, хотя отклонение от классического поведения было небольшим, но статистически значимым.

Это открытие имеет фундаментальное значение для науки. Оно опровергает ранее существовавшее мнение о том, что невозможно установить квантово-механическую природу ядерного спина, просто наблюдая за его прецессией в магнитном поле. Учёные показали, что это возможно, хотя и требует специальных видов ядерных спинов, помещённых в особые квантовые состояния, и сложного способа их наблюдения.

Хотя непосредственные применения этого открытия пока не очевидны, оно может стать эффективным методом для подтверждения создания специальных квантовых состояний, известных как «состояния кота Шрёдингера», которые могут быть важными квантовыми ресурсами в квантовых вычислениях.

Подробнее