Научная Сеть >> Соотношение неопределенностей или принцип дополнительности?

Наука >> Физика >> Теоретическая физика >> Квантовая механика | Популярные статьи

Ю.М.Ципенюк, доктор физико-математических наук
Институт физических проблем им.П.Л.Капицы РАН, Москва
Опубликовано в журнале "Природа", N 5, 1999 г.

В начало

Как показано на рис.3, слева, частота $\omega_{свет}$ стоячей световой волны, на которой рассеиваются атомы рубидия, подбирается так, чтобы энергия фотонов $\hbar \omega_{свет}$ равнялась полусумме энергий, отвечающих переходам $\mid 2 \rangle \rightarrow \mid e \rangle$ и $\mid 3 \rangle \rightarrow \mid e \rangle$ . Символом $\mid e \rangle$ обозначено возбужденное состояние рубидия $5^2P_{3/2}$ . Частотная расстройка для этих переходов $\Delta_{2e}$ и $\Delta_{3e}$ одинакова по величине, но отличается знаком.

Рис.3Схематическое изображение принципа записи информации о траектории пучков.
Слева: упрощенная схема уровней ⁸⁵Rb. Основное состояние расщеплено на два подуровня сверхтонкой структуры, соответствующих полному угловому моменту F=2 и 3. Стоячая световая волна приводит к расщеплению исходного пучка на два;
в них фазы волновых функций отличаются на $\pi$ . $\omega_{свет}$ - частота стоячей световой волны; $\omega_{МВ}$ - частота микроволнового излучения. Справа: расщепление пучков в поле стоячей световой волны сопровождается фазовым сдвигом, зависящим от внутреннего состояния атомов. Микроволновые импульсы преобразуют этот фазовый сдвиг в разную заселенность пучков атомами с разными внутренними состояниями.

Атомы в состояниях $\mid 2 \rangle$ и $\mid 3 \rangle$ неодинаково взаимодействуют со световой решеткой; хотя амплитуды рассеяния равны, фазы волновых функций атома на выходе решетки различны: если атом находится в состоянии $\mid 2 \rangle$ , то происходит сдвиг фазы на $\pi$ . Это явление хорошо известно в оптике: при отражении от оптически более плотной среды фаза волны меняется на $\pi$ , тогда как при отражении от границы с оптически менее плотной средой, как и у волны, проходящей в любую среду, фаза волны не изменяется. То же самое происходит и при прохождении атомов сквозь какую-либо среду. В нашем случае для атомов в состоянии $\mid 2 \rangle$ световая волна представляет собой среду с отрицательным потенциалом (для них $\Delta_{2e} \lt 0$ ), что эквивалентно оптически более плотной среде, поэтому фаза волновой функции этого состояния приобретает сдвиг $\pi$ . Для атомов в состоянии $\mid 3 \rangle$ световая волна - оптически менее плотная среда (для них $Delta_{3e} \rangle 0$ ), поэтому фаза их волновых функций не меняется. Далее, фазовый сдвиг на $\pi$ у волновых функций в состояниях $\mid 2 \rangle$ и $\mid 3 \rangle$ используется для достижения разной заселенности уровней сверхтонкой структуры. Для этого атомные пучки, как схематически показано на рис.3, справа, подвергаются воздействию двух так называемых $\pi/2$ - импульсов с частотой, соответствующей энергии сверхтонкого расщепления (разнице энергий состояний $\mid 2 \rangle$ и $\mid 3 \rangle$ ).

Выходящие из магнитооптической ловушки атомы находятся в нижайшем энергетическом состоянии, соответствующем полному моменту F=2. Действие микроволнового $\pi/2$ -импульса смешивает отдельные состояния дублета ( $\mid 3 \rangle + \mid 2 \rangle$ ).

После взаимодействия со световой решеткой атомы в состоянии $\mid 2 \rangle$ и в пучке B получают фазовый сдвиг $\pi$ , а в пучке C - нет, так как в этом направлении прошли атомы, которые не взаимодействовали со светом. Таким образом, внутренние степени свободы атомов в пучке B характеризуются смешанным состоянием ( $\mid 3 \rangle - \mid 2 \rangle$ ), а в пучке C - ( $\mid 3 \rangle + \mid 2 \rangle$ ). Состояние уровней системы может быть записано в виде суперпозиции
$\mid \Psi \rangle \approx \mid \Psi_B \rangle (\mid 3 \rangle - \mid 2 \rangle) + \mid \Psi_C \rangle (\mid 3 \rangle + \mid 2 \rangle)$
в которой $\mid \Psi_B \rangle$ и $\mid \Psi_C \rangle$ описывают движение центра масс отраженного и прошедшего пучков. Мы видим, что под действием микроволнового импульса произошло перепутывание внешних и внутренних степеней свободы атома, и это оказывается определяющим моментом в записи информации о направлении пучков.

Второй микроволновый импульс, воздействуя на оба пучка, преобразует внутреннее состояние прошедшего пучка в состояние $\mid 3 \rangle$ , а испытавшего брэгговское отражение - в $\mid 2 \rangle$ . В результате последовательного воздействия двух микроволновых импульсов и двух взаимодействий со стоячей световой волной мы имеем на выходе волновую функцию атомного пучка в виде
$\mid \Psi \rangle \approx - \mid \Psi_B \rangle \mid 2 \rangle + \mid \Psi_C \rangle \mid 3 \rangle$
Итак, в результате вторичного взаимодействия с микроволновым полем после световой решетки этот фазовый сдвиг преобразуется в разную заселенность в пучках B и C атомов с электронным состоянием $\mid 2 \rangle$ и $\mid 3 \rangle$ : в пучке B преимущественно находятся атомы в состоянии $\mid 2 \rangle$ , в пучке C - атомы в состоянии $\mid 3 \rangle$ . Таким довольно изощренным способом, оказались помеченными атомные пучки, претерпевающие затем интерференцию. Узнать о том, по какой траектории двигался атом, можно потом, определив его электронное состояние. Следует еще раз подчеркнуть, что практически никакого изменения импульса атома при такой процедуре мечения не происходит.

Результат эксперимента показан на рис.4. При включении микроволнового излучения, которое метит атомы в интерферирующих пучках, интерференционная картина полностью исчезает. Следует подчеркнуть, что информация не считывалась, не определялось внутреннее электронное состояние. Информация о траектории атомов лишь записывалась, атомы запоминали, каким путем они двигались. Считывание информации, которое также проводилось авторами в одном из вариантов эксперимента, ничего не изменяло.

Рис.4 Исчезновение интерференции при включении микроволнового поля, записывающего информацию о траектории атома в его электронной структуре.

В чем же кроется причина нарушения когерентности пучков? Сейчас физики все более склоняются к тому, что ответственно за эту загадку микромира свойство "запутывания" состояний частиц, введенное в квантовую механику Э.Шредингером еще в 1935 г. Квантово- механические объекты не находятся в четко определенных состояниях, а всегда вовлечены в коллективные, коррелированные (запутанные) с другими объектами состояния, и только во всей совокупности этих состояний заложена информация об объекте. Носителями информации могут быть коллективы частиц либо два и более свойств одной частицы.

В обсуждаемом эксперименте информация о траектории частицы кодируется за счет взаимодействия внешнего электромагнитного поля с атомом, которое, как уже говорилось, и перепутывает импульс атома с внутренним электронным состоянием. Иными словами, пространственная часть волновой функции практически не меняется, не происходит неконтролируемого изменения импульса частиц. "Приклеивание" этой внутренней электронной метки к конкретной траектории атома означает, что полная волновая функция атома вдоль одного пути (волновая функция, описывающая как электронное состояние системы, так и движение) становится ортогональной полной волновой функции вдоль другого пути (другими словами, фазы волновых функций отличаются на $\pi/2$ ), и пучки перестают интерферировать. Нарушение интерференционной картины обусловлено корреляциями между детектором положения и атомными пучками. Следует отметить, что эти корреляции проявлялись и раньше, в частности, в нейтронных интерферометрах, в которых информация о траектории может запоминаться за счет селективного переворота спина в одном из плеч интерферометра. У читателя не должно складываться впечатление, что вот, наконец, все стало понятным и прозрачным. Да, этот эксперимент показал, что механическое вмешательство в движение частицы, которое прекрасно описывается соотношением неопределенностей, на самом деле "замазывает" истинную причину потери когерентности частицей, это более грубый эффект, шум, в котором тонут более принципиальные квантовомеханические законы. Но рассмотренный эксперимент на самом деле поставил и целый ряд вопросов перед учеными, и прежде всего теперь надо ответить, какая конкретно информация о движении частицы уничтожает когерентность пучков, происходит ли всегда фазовый сдвиг между интерферирующими волновыми функциями на $\pi/2$ , или это есть результат случайных фазовых сдвигов между двумя интерферирующими лучами.

Журнал Природа

Написать комментарий