Квантовый эффект Зенона продемонстрирован в алмазе

Физикам из университета Гумбольдта в Берлине удалось продемонстрировать квантовый эффект Зенона на примере микроскопического дефекта в кристалле алмаза. Эксперименты ученых позволили не только продемонстрировать давно известный физический эффект в алмазе, но и указали на возможность избавить ряд квантовых устройств от сложных и требующих низких температур ионных ловушек. Подробности со ссылкой на препринт исследователей приводит Nature News.

Исследователи использовали алмаз, в кристаллической решетке которого предварительно создали единичный NV-дефект. Такие дефекты представляют собой замену двух соседних атомов углерода на один атом азота (N) и просто пустое место (V, от vacancy), причем их можно рассматривать как один квантовый объект с определенными характеристиками: в частности, NV-дефекты, как и обычные атомы, имеют свой набор энергетических уровней.

Каждый уровень отличается как своей собственной энергией, так и значением спина электронов, находящихся в этом состоянии. Для перевода частиц с одного уровня на другой можно использовать кванты света (если они поглощаются, то энергия увеличивается, а если электрон испускает квант, то он переходит в состояние с меньшей энергией) или микроволновое излучение (которое в опыте ученых использовалось для изменения спина частицы). Собранная учеными установка из лазера, нескольких специальных светофильтров и микроволновой антенны из золотой проволоки позволила управлять переходами в любом нужном направлении. А регистрация испускаемых алмазом квантов дала возможность определять то, в каком именно состоянии (на каком уровне) находился электрон в NV-дефекте.

Эксперименты показали, что если ученые наблюдают за тем, на каком энергетическом уровне находится NV-дефект, то переходы с одного уровня на другой происходят реже, чем должны происходить без стороннего наблюдения. Этот эффект носит название эффекта Зенона: если за частицей постоянно наблюдают, то она не может перейти в другое состояние. Название этому явлению дала апория Зенона, парадоксальное рассуждение древнегреческого философа Зенона Элейского (V век до нашей эры).

Зенон размышлял над движением стрелы и обратил внимание на то, что в каждый момент времени стрела занимает в пространстве определенное положение. Если стрела находится в каком-то одном положении, рассуждал философ, она все равно что неподвижна и из этого следует то, что она не достигнет цели. Другой апорией Зенона является знаменитое рассуждение о черепахе и Ахиллесе.

Квантовый эффект Зенона был предсказан в 1950-е годы, а экспериментально обнаружен в 1989 году. Квантовый эффект Зенона в алмазных кристаллах может, по мнению обнаруживших его ученых, иметь важное значение, так как позволяет предотвратить изменение состояния квантовой системы раньше срока. Сейчас для квантовых вычислений физики пытаются использовать ионы внутри специальных ловушек, но такие системы слишком громоздки, дороги и требуют специального охлаждения. Переход к кристаллам алмаза может дать возможность хранить квантовую информацию и оперировать ей в более простых с технической точки зрения условиях.


Интересные материалы: