Зеркало заставило атом одновременно двигаться в разные стороны

Все объекты квантового мира пребывают в состоянии суперпозиции множества состояний — иными словами, квантовый объект, например, не находится в каком-то определенном месте, а пребывает как бы в нескольких местах одновременно. Ученые могут рассчитать только вероятность нахождения объекта в том или ином месте. При измерениях состояния квантовых объектов физики получают конкретное значение, однако это "неестественный" процесс для квантовых объектов — при этом говорят о редукции состояния или коллапсе волновой функции.

Доказательством таких необычных свойств объектов квантового мира может быть простейший эксперимент с решеткой, в которой имеются два отверстия: даже один электрон или фотон, проходя сквозь такую решетку, дает интерференционную картину. Интерференция — это оптический эффект, возникающий при наложении нескольких световых волн, соответственно, в опыте с решеткой одна элементарная частица одновременно проходит сквозь оба отверстия.

Авторы новой работы предложили другой способ наглядного получения суперпозиции для атомов. Ученые помещали атомы рядом с зеркалом и возбуждали их при помощи лазера. Через некоторое время атомы возвращались в основное состояние, и при этом испускался фотон — квант излучения. При "отрыве" фотона атом получал небольшой импульс, направленный в противоположную по отношению к движению фотона сторону. Соответственно, информация о движении фотона давала информацию о движении атома.

Так как атомы располагались очень близко к зеркальной поверхности, многие фотоны, испущенные в направлении зеркала, отражались от него и начинали двигаться в противоположную сторону. Отличить фотоны, изначально испущенные в направлении от зеркала, и фотоны, которые поменяли направление движения, отразившись от поверхности, невозможно. Соответственно, невозможно определить и направление движения атома, и оно представляется как суперпозиция движения к и от зеркала.

Физики подтвердили, что атом в эксперименте действительно находится в состоянии суперпозиции, проведя с ним чуть измененный вариант опыта с решеткой. Как отмечают авторы, ценность их работы заключается в том, что суперпозиция двух направлений движения атома создается очень простым способом — обычно для реализации подобных задач необходимо, например, помещать атомы во внешнее поле. Необходимость помещать квантовые объекты в состояние суперпозиции по определенным параметрам есть, в частности, при создании квантовых компьютеров.