Наблюдение за квантовыми системами способно изменять их состояние. При этом, чем больше частиц объединено в систему, тем сложнее провести измерение без искажения результатов. Группа физиков разработала метод, позволяющий отслеживать крупную квантовую систему на протяжении более суток без воздействия на нее.

Особенности квантовых систем

Квантовые эффекты легко нарушаются под воздействием внешних шумов, создаваемых окружающей средой. Для минимизации помех обычно используются небольшие контролируемые системы, например, пары атомов, которые тщательно изолируются — охлаждаются и помещаются в темные и тихие условия. Однако крупные системы более перспективны для практического применения, хотя в них сложнее сохранять квантовые свойства из-за масштабных шумов.

Новый подход к наблюдению

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса разработали метод, значительно упрощающий изучение квантовых явлений. Их система использует макроскопические ансамбли спинов и позволяет отслеживать их эволюцию во времени, а также напрямую наблюдать флуктуации спинов. При этом квантовые эффекты в системе не разрушаются. Чувствительность метода близка к фундаментальному пределу, установленному законами квантовой механики. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

Описание экспериментальной установки

В основе установки лежит сверхпроводящая схема, данные с которой считываются с помощью СКВИД — высокочувствительного детектора магнитного поля. Внутрь приемной катушки были помещены ядра фтора-19 в тефлоне и ядра водорода в нейлоне, а катушка подключена к детектору. Вся система охлаждалась до температур ниже одного кельвина. Такая установка позволила получать информацию о спинах через данные магнитного резонанса без внешнего возбуждения.

Принцип работы и результаты

В качестве единственного источника движения использовались естественные тепловые флуктуации в сверхпроводящей микросхеме. Магнитное поле настраивалось так, чтобы частота спинового резонанса совпадала с резонансной частотой схемы. Это позволило отслеживать изменения свойств сверхпроводящей схемы и, соответственно, поведение спинов.

Измеренные флуктуации углов спинов совпали с теоретическими расчетами и масштабировались в зависимости от числа спинов и их поляризации. Это подтверждает, что наблюдался именно шум квантовой спиновой проекции, а не внешние помехи. Непрерывное наблюдение длилось 26 часов.

Значимость и перспективы

Достигнутая точность измерений сопоставима с квантовым пределом для твердых образцов, содержащих почти пять секстиллионов (5×10²¹) спинов. Минимальный измеренный угол флуктуации составил девять нанорадиан, что является крайне высокой точностью.

Разработанная система может быть использована для неинвазивной спектроскопии магнитного резонанса, что позволяет исследовать материалы без изменения их свойств в процессе измерения. Это особенно важно при работе с взрывоопасными или сверхчувствительными веществами.