Три близнеца на бегу постоянно меняются одеждой. Примерно так ведут себя нейтрино — почти неуловимые частицы, пронизывающие нас триллионами каждую секунду. Они рождаются в ядерных реакциях, например в недрах Солнца, и существуют в трёх вариантах, или «ароматах». Но вот что странно: по пути от источника нейтрино может сменить аромат, превратиться из электронного в мюонный или тау-нейтрино. Этот фокус объясняется тем, что каждый аромат — не самостоятельная сущность, а смесь трёх разных массовых состояний, как аккорд из трёх нот. Такая смесь и есть проявление квантовой запутанности — неразрывной связи между частями системы.
Авторы новой работы решили выяснить, что происходит с этой внутренней запутанностью, когда нейтрино взаимодействуют с окружением. В квантовом мире любое влияние извне, даже самое слабое, действует как шум, постепенно разрушающий хрупкие квантовые свойства. Учёные рассмотрели три типичных вида такого шума, похожих на разные помехи в радиоприёмнике: один ослабляет сигнал (как затихание звука), другой переворачивает фазу волны, третий смазывает её. Они проследили, как под действием этих помех меняются три ключевые характеристики: квантовое рулевое управление (возможность одной части системы влиять на другую на расстоянии), логарифмическая отрицательность (мера запутанности) и квантовая когерентность (способность системы находиться в нескольких состояниях одновременно).
Результаты показали чёткую иерархию стойкости. Самым уязвимым оказалось квантовое рулевое управление — оно пропадает первым при малейшем шуме. Логарифмическая отрицательность держится дольше, а квантовая когерентность оказалась рекордсменом по живучести, сохраняясь даже тогда, когда другие ресурсы уже исчерпаны. Интересно, что в двух типах шума — перевороте фазы и смазывании фазы — запутанность и когерентность вели себя совершенно одинаково, словно два инструмента, играющие одну мелодию. Это объясняется тем, что оба типа помех воздействуют именно на фазу волны, не затрагивая её энергию.
Исследование также затронуло разницу между двумя режимами взаимодействия с окружением: марковским (без памяти) и не-марковским (с памятью). В первом случае шум действует как постоянный поток, неумолимо разрушающий квантовые свойства. Во втором — как порывистый ветер, который то усиливается, то ослабевает, позволяя системе иногда восстанавливать утраченные корреляции. Именно в таком режиме наблюдались кратковременные возвраты запутанности и когерентности, тогда как квантовое рулевое управление оставалось подавленным в обоих случаях. Это говорит о том, что «память» окружения может частично защищать более слабые формы квантовых связей, но бессильна перед потерей самой сильной из них. Выходит, что даже в мире почти неуловимых частиц, где близнецы-нейтрино вечно меняются ролями, шум среды постепенно заглушает их внутренний аккорд, оставляя лишь самые стойкие ноты.
Нейтрино настолько слабо взаимодействуют с веществом, что могут пролететь сквозь световой год свинца, не задев ни одного атома. Именно поэтому для их регистрации строят гигантские детекторы, заполненные тысячами тонн воды или льда.
В романе Станислава Лема «Глас Господа» нейтрино используются для межзвёздной связи, так как они почти не поглощаются межзвёздной средой.