Сверхъестественное влияние на расстоянии

Нанотехнологи из исследовательского института MESA+ при Университете Твенте открыли новое фундаментальное свойство электрических токов в очень малых металлических цепях. Они показали, как электроны могут распространяться по цепи подобно волнам и вызывать эффекты интерференции в местах, где не течет никакого электрического тока. Геометрия цепи играет ключевую роль в этом так называемом нелокальном эффекте. Интерференция является прямым следствием квантовомеханического волнового характера электронов и специфической геометрии схемы. Дизайнеры квантовых компьютеров этот эффект должны учитывать. Результаты исследования опубликованы в британском журнале Scientific Reports.

Интерференция является обычным явлением в природе и происходит, когда одна или более распространяющихся волн взаимодействуют когерентно. Интерференция звуковых, световых или волн на воде хорошо известна, но и носители электрического тока - электроны - могут интерферировать. Это показывает, что электроны должны рассматриваться также как волны, по крайней мере в наноразмерных схемах при экстремально низких температурах: канонический пример квантовомеханического дуализма волна—частица.

Исследователи из Университета Твенте продемонстрировали интерференцию электронов в золотом кольце с диаметром всего 500 нм. Одна сторона кольца была соединена с миниатюрным проводом, через который электрическим током можно управлять. С другой стороны кольцо подключали к вольтметру. Когда проходил ток, и переменное магнитное поле проходило через кольцо, исследователи обнаружили интерференцию электронов на другой стороне кольца, даже если действительный ток не тек через кольцо.

Это показывает, что электронные волны могут "просачиваться" в кольцо и изменять электрические свойства в другом месте в цепи, даже если в классическом случае нигде не должно что-то происходить. Хотя золотое кольцо диффузно (это означает, что средняя длина свободного пробега электронов значительно меньше, чем кольцо), эффект был на удивление выраженным.

Результат является прямым следствием того факта, что квантовые уравнения движения нелокальны. Эта природа нелокальности также хорошо известна из другого рода нелокальности: противоречивая здравому смыслу способность объектов мгновенно узнать о состоянии друг друга, даже если они разделены большими расстояниями (зацепление). Эйнштейн назвал это "сверхъестественным действием на расстоянии". Результаты, полученные в Твенте, помогают глубже понять первый тип нелокальности, называемый динамической нелокальностью, которая играет ключевую роль во всех квантовых интерференционных экспериментах. Очень хорошо известно, что на квантовую интерференцию влияет нарушение когерентности (когда физическая среда вызывает рассогласование фазы), а также выполнение измерений по определению траектории (удаление динамической нелокальности и, следовательно, разрушения интерференционной картины). Теперь исследователи из Университета Твенте обнаружили новый способ повлиять на динамическую нелокальность. А именно, геометрией цепи. Понимание этого фундаментального эффекта имеет большое значение для будущей обработки квантовой информации. Например, при создании квантового компьютера.

Схематическое представление эксперимента по нелокальной интерференции электронов. Постоянный ток проходит от верхнего левого к нижнему левому контакту. Нелокальное колебательное напряжение появляется между верхним и нижним правыми контактами из-за магнитного поля, индуцированного одноэлектронной интерференцией в 500 нм кольце в середине

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