Иногда для того, чтобы понять самые сложные вещи, требуется начать с самого простого. И новый эксперимент, проведенный учеными из Стэнфордского университета, как раз и стал этим “самым простым”, ученые создали любопытный квантовый аналог маятника Ньютона (колыбели Ньютона), ряда тщательно уравновешенным металлических шаров, которые могут качаться очень длительное время, стукаясь друг об друга и передавая свою кинетическую энергию таким образом. И этот квантовый маятник Ньютона позволил ученым изучить квантовую систему и приоткрыть некоторые тайны таинственного квантового мира. Квантовый аналог маятника Ньютона использовался для изучения явления квантовой термализации (thermalisation), процесса, в котором хаотическое движение квантовых частиц приводит в конечном счете к состоянию теплового равновесия. В обычном мире нам это явление хорошо известно, когда мы добавляем в горячий кофе холодное молоко или сливки.

За счет хаотического теплового движения молекул воды и других частиц вся жидкость через короткое время становится одной температуры.

В квантовом аналоге маятника Ньютона не было никаких квантов, свисающих на нитях квантовой запутанности. Исследователи взяли группу атомов и охладили их к температуре, близкой к температуре абсолютного нуля. А затем этим атомам был выдан “пинок” при помощи сфокусированного луча лазерного света. Подобная реализация маятника Ньютона является уже далеко не новой, но в данном случае ученые использовали атомы, обладающие сильными магнитными свойствами, что позволило им более точно измерить влияние одного атома на соседние.

Эксперимент показал, что процесс достижения теплового баланса разбит на два отдельных этапа, и это позволило ученым выдвинуть новую гипотезу о том, что же происходит на самом деле на квантовом уровне. Полученные экспериментальным путем результаты были подтверждены результатами компьютерного моделирования, различие между двумя наборами данных оказались совсем незначительными.

“Это означает, что у нас появится достаточно простая обобщенная теория, описывающая процесс термализации квантовых систем” – рассказывает Бенджамин Лев (Benjamin Lev), ведущий исследователь, – “Красота этой теории заключается в том, что ее можно использовать по отношению ко всем системам”.

То, что сделали Стэнфордские ученые, в большей степени сейчас имеет отношение к фундаментальной и теоретической физике. Однако, если люди собираются в ближайшем будущем создать реальные квантовые компьютеры, датчики и другие устройства, только подобные эксперименты и исследования смогут вывести их на качественно новый уровень.

Справочно

Квантовый аналог маятника Ньютона — это не одна конкретная установка, а скорее квантовые системы, демонстрирующие сохранение импульса и энергии на микроуровне, например, квантовые цепи из сверхпроводящих кубитов или фотонных систем, где передача энергии и импульса описывается законами квантовой механики, а не классической физики, показывая квантовое туннелирование или квантовые биения, но с принципиальными отличиями из-за неопределенности и дискретности энергии.

Как это работает (концептуально):

1. Маятник Ньютона (Классический): Демонстрирует передачу кинетической энергии и импульса между шарами, где энергия переходит из кинетической в потенциальную и обратно, при этом система теряет энергию из-за трения и сопротивления воздуха, останавливаясь.
2. Квантовый аналог:

• Кубиты: Вместо шаров используются кубиты (квантовые биты). При взаимодействии (например, через куплунг) они обмениваются энергией и информацией, но процесс происходит дискретно.
• Квантовые биения (Quantum Beats): Когда кубит возбуждается, он может находиться в суперпозиции состояний. При взаимодействии с другим кубитом, энергия передается, вызывая интерференцию и колебания в вероятности нахождения в том или ином состоянии, что похоже на передачу “колебаний” между шарами.
• Фотоника: В оптомеханических системах можно использовать фотоны, которые передают импульс микрозеркалу или резонатору, заставляя его колебаться, и наоборот – колебания зеркала генерируют фотоны (аналогично энергии шаров).

Ключевые отличия:

• Дискретность: Энергия передается порциями (квантами), а не плавно, как в классическом маятнике.
• Суперпозиция: Кубиты могут находиться в нескольких состояниях одновременно.
• Неопределенность: Невозможно точно измерить энергию и импульс одновременно.
• Отсутствие трения (идеально): В квантовых системах (особенно в криогенных условиях) трение минимально, но есть другие процессы, такие как декогеренция, которые гасят квантовые эффекты. 

Пример: Исследователи создают системы, где два кубита взаимодействуют, передавая возбуждение и демонстрируя колебания, похожие на маятник, но описываемые не законами Ньютона, а уравнениями Шрёдингера.