Квантовое туннелирование — когда частица проходит сквозь барьер, который в классической физике считается непреодолимым — происходит быстрее, если у объекта меньше энергии. Физики нашли способ наблюдать за фотонами во время этого процесса и получили неожиданный результат.

Это открытие вносит ясность в давний спор о том, как измерить время туннелирования и насколько быстро оно происходит. Кроме того, эксперимент ставит под сомнение теорию Бома — одно из объяснений квантовой механики, где частицы управляются волнами. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Это настоящий экспериментальный прорыв, — говорит квантовый физик Эфраим Штейнберг из Университета Торонто.

Как устроен эксперимент

В классической физике частица, сталкиваясь с барьером, который не может преодолеть, просто отскакивает. Но в квантовом мире есть шанс, что она «просочится» сквозь него. Это явление — квантовое туннелирование — играет ключевую роль в фотосинтезе, радиоактивном распаде и других процессах, но его природа до конца не изучена.

Ученые создали волновод — зеркальную структуру, которая направляет фотоны в одном направлении. Когда лазерный луч попадает в него, фотоны движутся до барьера (участка с повышенной энергией), который в теории должен их остановить. Но вместо этого часть из них туннелирует в «запрещенную» зону, а часть — в параллельный волновод внутри барьера. Камера фиксировала их положение, и по скорости накопления фотонов во втором волноводе ученые определили, как быстро они проникают сквозь преграду.

Впервые удалось запечатлеть этот процесс в реальном времени, — отмечает Штейнберг.

Чем меньше энергии, тем быстрее

Оказалось, что фотоны с самой низкой кинетической энергией (такой, которой в классической физике вообще не существует) туннелируют быстрее всего.

Это предсказывала квантовая механика, но экспериментально доказано впервые.

Споры о скорости

Физики давно пытаются измерить скорость туннелирования, но единого метода нет. Штейнберг считает подход команды из Твенте не идеальным, но максимально близким к классическому пониманию скорости.

Это окно в мир, где частицы оказываются там, где их быть не должно, — говорит он.

Удар по теории Бома

Согласно этой теории, частицы движутся по четким траекториям, управляемым «пилотными волнами». Но эксперимент показал: внутри барьера фотоны не „замирают“, как предсказывает Бом, а продолжают движение.

Наши результаты противоречат этой модели, — говорит соавтор исследования Ян Клаас из Университета Твенте.

Однако, как пишут в сопроводительной статье Алессандро Федрицци и Фабио Бьянкалана, эксперимент основан на сложных допущениях, которые могут быть оспорены.

Этот эксперимент не просто академический интерес. Понимание туннелирования может:

• Улучшить проектирование квантовых компьютеров, где туннелирование мешает стабильности кубитов.
• Оптимизировать сканирующие туннельные микроскопы, позволяющие видеть атомы.
• Помочь в разработке новых материалов с контролируемой проводимостью.

Отметим, что эксперимент опирается на косвенные измерения — фотоны в дополнительном волноводе служат «часами». Но если связь между волноводами не идеальна, погрешность возрастает. Кроме того, выводы о теории Бома требуют проверки в других условиях.

Ранее эксперты заявили, что квантовые датчики обеспечат технологическую революцию к 2045 году.