Квантовые узлы реальны

Самые первые экспериментальные наблюдения узлов в квантовой материи были представлены в Nature Physics учеными из Университета Аалто (Финляндия) и Амхерст-колледжа (США). Ученые создали заузленные уединенные волны, или узловые солитоны, в квантовом поле, описывающем газ сверхтекучих атомов, также известный как конденсат Бозе-Эйнштейна.

В отличие от веревок с узлами созданные квантовые узлы существуют в поле, которое предполагает определенное направление в каждой точке пространства. Поле разделено на бесконечное число соединенных между собой колец, каждое со своим собственным направлением поля. Полученная структура топологически устойчива, поскольку она не может быть разделена без разрыва кольца. Другими словами, нельзя развязать узел в сверхтекучей жидкости без разрушения состояния квантовой материи.

«Чтобы сделать это открытие, мы подвергли рубидиевый конденсат воздействию специально сформированного быстро изменяющегося магнитного поля, связывая узел менее чем за тысячную долю секунды. После того, как мы узнали, как связать первый квантовый узел, мы стали довольно хорошо это делать. К настоящему времени мы связали несколько сотен таких узлов», - сказал проф. Дэвид Холл (David Hall) из Амхерст-колледжа.

Ученые связали узел, сжав структуру в конденсат. Это потребовало от них инициализировать квантовое поле в определенном направлении, после чего они вдруг изменили приложенное магнитное поле, чтобы создать изолированную нулевую точку, в которой магнитное поле исчезает в центре облака. Затем они просто ждали меньше миллисекунды, чтобы магнитное поле сделало свой трюк и завязало узел.

«В течение десятилетий физики теоретически предсказывали, что должно быть возможным завязывать узлы в квантовых полях, но никто еще не был в состоянии сделать это. Теперь, когда мы увидели эти экзотические состояния, мы очень рады, что можем изучить их особые свойства. Важно отметить, что наше открытие соединяется с разнообразным набором исследовательских областей, включая космологию, термоядерный синтез и квантовые компьютеры», - говорит руководитель исследовательской группы Микко Меттенен (Mikko Möttönen) из Университета Аалто.

Узлы были использованы и оценены человеческой цивилизацией на протяжении тысячелетий. Например, они использовались в мореплавании и вдохновили художников на замысловатые узоры и рисунки. Древняя цивилизация инков использовали систему узлов, известных как кипу, для хранения информации. В наше время узлы, как думают, играют важную роль в квантовомеханических основах природы, хотя они до сих пор оставались незамеченными в квантовой динамике.

В повседневной жизни, узлы, как правило, вывязываются на тросах или веревках с двумя концами. Однако эти виды узлов не те, которые математики называют топологически стабильными, так как они могут быть развязаны без разрезания веревки. В стабильных узлах концы склеиваются. Такие узлы могут быть перемещены в пределах веревки, но не могут быть развязаны без помощи ножниц.

Математически говоря, созданный квантовый узел реализует отображение, называемое расслоением Хопфа, которое было обнаружено Хайнцем Хопфом (Heinz Hopf) в 1931 г. Расслоение Хопфа до сих пор широко изучается в физике и математике. Теперь оно была экспериментально продемонстрировано впервые в квантовом поле.

«Это начало истории квантовых узлов. Было бы здорово увидеть еще более сложные квантовые узлы. Кроме того, было бы важно создать эти узлы в условиях, когда состояние квантовой материи было бы стабильным в своей основе. Такая система позволила бы выполнить детальные исследования устойчивости самого узла», - отметил Микко Меттенен.

Визуализация структуры созданного квантового узла. Каждая цветная группа представляет собой набор близлежащих направлений квантового поля, которое завязано узлом. Обратите внимание, что каждая полоса скручена и связана с другими. Развязывание узла требует зоны для разделения, что невозможно, не разрушая их

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365