Ученым впервые удалось напрямую измерить квантовые флуктуации в вакууме

Как эти флуктуации повлияли на структуру Вселенной и есть ли от них практическая польза, «Чердаку» рассказали coавторы работы в журнале Science Андрей Москаленко и Денис Селецкий.

Фотоны в вакуумной упаковке

В обыденном понимании вакуум — это отсутствие воздуха. По крайней мере, это имеют в виду производители сосисок и прочей еды в вакуумной упаковке. Однако физики понимают под вакуумом также нечто иное.

В своей работе Ляйтенсторфер и его коллеги наблюдали флуктуации вакуума на примере фотонов. Фотоны — это частицы электромагнитного поля, и они обладают некоторой энергией. Однако если добиться того, чтобы в некотором объеме была полная темнота без единого фотона, энергия электромагнитного поля все равно не будет нулевой. Квантовый вакуум вовсе не спокойная структура. В нем постоянно рождаются фотоны, которые живут очень короткое время и исчезают также внезапно. Эти фотоны называют виртуальными, а их постоянное и спонтанное появление и исчезновение — квантовыми флуктуациями.

Случайная структура Вселенной

Квантовые флуктуации особенно интересны тем, что они могли сыграть решающую роль при формировании Вселенной после Большого взрыва.

«Согласно инфляционной модели Вселенной, в первые моменты после Большого взрыва большое количество энергии было сосредоточено на короткое время в (говоря условно) небольшом объеме. В таких условиях квантовые флуктуации имеют очень большое влияние, благодаря им сразу после Большого взрыва сформировалась структура вещества: где-то его оказалось больше, где-то — меньше. С расширением Вселенной эта структура «отпечаталась» в неоднородном распределении «классического» вещества (галактики, планеты и мы с Вами) в космосе. Если бы мы могли повторить Большой взрыв, то, поскольку квантовые флуктуации случайны, мы бы получили другую структуру Вселенной», — поясняет Селецкий.

Следы квантовых флуктуаций

Для того чтобы «уловить» квантовые флуктуации в вакууме, Ляйтенсторфер и его коллеги использовали лазеры со сверхкороткими импульсами, сфокусированными в пучок микронного размера. «Мы направили сверхкороткие лазерные импульсы в особый электрооптический кристалл и мерили изменения их поляризации под действием вакуума. В общем, поляризацию фотона можно представить в двух состояниях: условно можно сказать, что в одном фотоны вращаются вправо, в другом — влево. Мы подбирали поляризацию импульса так, чтобы количество «правых» и «левых» фотонов было одинаковым. Затем мы замеряли разницу между этими состояниями, то есть изменения поляризации, после прохождения через кристалл», — рассказывает Селецкий.

Ученые увидели, что баланс между «правыми» и «левыми» фотонами в каждом отдельном случае немного нарушался, хотя при измерении большого количества импульсов количество фотонов обоих типов совпадало.

«Если бы у нас не было никаких квантовых взаимодействий, то количество «правых» и «левых» фотонов на выходе было бы всегда одинаковым. При «включении» вакуума мы получим такую ситуацию, в которой, хотя в среднем разница поляризационных состояний будет оставаться равной нулю, ее колебания заметно увеличатся», — говорит Селецкий. Ученые «включали» и «выключали» вакуум при помощи изменения четырехмерного объема пространства—времени, который занимал фемтосекундный импульс при взаимодействии с вакуумом. По вышеприведенной аналогии с Большим взрывом только при малых объемах измеряемого пространства—времени физики заметили существенные колебания сигнала, напрямую связанные с флуктуациями вакуума.

Как рассказывают исследователи, они получили самые разные отзывы на свою работу: от «этого не может быть!» до «это же совершенно очевидно!»

«Физики провели ряд экспериментов, в которых результаты соответствовали теоретическим предсказаниям — количественно и качественно, — считает Александр Львовский из Российского квантового центра. — Конечно, это вполне может быть и результатом совпадения — таких случаев в истории науки множество. Сомнение — вечный спутник науки, а когда речь заходит о чем-то принципиально новом, как в данном случае, оно имеет особенно веское право на существование. Конечно, результаты измерений будут перепроверяться и улучшаться — как самим Лайтенсторфером, так и в других лабораториях. Однако что касается меня лично, то имеющиеся результаты представляются вполне убедительными».

Сверхпроводимость и квантовые компьютеры

У экспериментов с квантовыми флуктуациями есть и практическое применение. При использовании этого нового метода прямого измерения квантовых флуктуаций полей физики надеются получить качественно новый взгляд на комплексные взаимодействия, протекающие в самых различных материалах. Например, их методика может помочь лучше понять физику высокотемпературных сверхпроводников.

Известно, что при температурах ниже так называемой «критической» некоторые материалы начинают пропускать ток без сопротивления, а значит, из них можно создать, например, провода, которые будут передавать ток на огромные расстояния без потерь. С 60-х годов прошлого века существует теория, которая с точностью описывает взаимодействия, участвующие в сверхпроводимости. Одно из предсказаний этой теории заключается в том, что это экзотическое состояние можно получить при температурах не выше минус 240 градусов Цельсия. Однако с середины 1980-х годов ученые обнаружили целый новый класс материалов с критической температурой, превышающей минус 140 градусов Цельсия.

«На данный момент нет общепринятой теории, которая бы описывала формирование высокотемпературной сверхпроводимости, но мы знаем, что она может объясняться сложными квантовыми взаимодействиями между многими компонентами. Например, между электронами и кристаллической решеткой. И все эти квантовые взаимодействия, формирующиеся на сверхкоротких временных интервалах, настолько переплетены друг с другом, что «распутать» их очень сложно. Если это удастся, то можно будет понять что-то новое о высокотемпературной сверхпроводимости и способах ее достижения даже при комнатной температуре», — считает Москаленко.

Львовский полагает, что с практической точки зрения полученные результаты могут также использоваться в квантовых компьютерах и системах связи.

«Начну с того, что Ляйтенсторфер далеко не первый, кто наблюдал флуктуации вакуума. Новизна его эксперимента в том, что он пронаблюдал их новым, необычным и интересным способом. Что касается важности измерения флуктуаций вакуума, правильнее было бы сформулировать вопрос так: насколько важно уметь измерять напряженность электромагнитного поля с точностью, превышающей размер вакуумных флуктуаций? Ответ — это умение принципиально необходимо для целого ряда квантовых технологий. Например, оно позволяет точно измерить квантовое состояние света (именно этим мы занимаемся в лаборатории квантовой оптики Российского квантового центра). Кроме того, в напряженности поля можно кодировать квантовую информацию для защищенной передачи на расстояние, а также между регистрами квантового компьютера, в том числе имеющими разную физическую природу», — пояснил ученый.