Почему сто ионов начинают играть не по нотам
Оркестр из ста скрипачей играет строго по нотам. Если музыканты не слышат друг друга, мелодия предсказуема. Но стоит им начать прислушиваться к соседям, каждый вносит крошечную неточность, и музыка превращается в непредсказуемую импровизацию. Похожий переход от порядка к хаосу физики увидели в кристалле из ста ионов бериллия, охлаждённых почти до абсолютного нуля.
Ионы в ловушке связаны между собой: их внутренние состояния образуют общий «спин», а совместные колебания — один общий «голос». Связь между ними можно делать слабой или сильной. В слабом режиме система ведёт себя просто: все спины смотрят в одну сторону, пока внешнее поле не станет слишком большим. Тогда они начинают метаться, и этот переход происходит вдвое раньше, чем в равновесии.
Этот хаос приводит к тому, что каждый ион запутывается со всеми остальными. Физики измерили энтропию Реньи — меру запутанности — и увидели, что она достигает максимума. Более того, в таком состоянии квантовые флуктуации одной величины уменьшаются на 2,6 дБ ниже стандартного квантового предела за счёт роста флуктуаций другой. Это свойство уже сегодня помогает делать более чувствительные датчики. В конце эксперимента сто ионов снова нашли общий ритм, показав, что даже в хаосе квантовый оркестр остаётся единым целым.
Кристалл из ста ионов при температуре 0,4 мК ведет себя как единый квантовый объект, хотя каждый ион находится на расстоянии около 10 микрометров от соседей. Частота аксиального движения центра масс совпадает с частотой колебаний струны скрипки, только в миллион раз выше.
Идея квантового хаоса и запутывания в многочастичных системах перекликается с романом Грега Игана «Город перестановок», где сознание моделируется на квантовом компьютере, а граница между порядком и хаосом стирается.