Учёные Института ядерных исследований РАН получили неожиданные результаты по сохранению квантовой запутанности при комптоновском рассеянии аннигиляционных фотонов. Полученные данные могут серьёзно повлиять на развитие технологий в медицинской визуализации, в частности – позитронно-эмиссионной томографии.
Квантовая запутанность – одно из самых удивительных свойств квантовой теории. Это способность поддерживать суперпозицию (находиться в нескольких состояниях одновременно) квантовых состояний на макро-расстояниях. Впервые эффект был экспериментально исследован 70 лет назад в системе двух фотонов, образующихся при аннигиляции (взаимном уничтожении при столкновении) позитронов и электронов. Считается, что взаимодействие фотонов с окружающей средой приводит к потере запутанности. Но новые экспериментальные исследования показали, что это не так, по крайней мере с аннигиляционными фотонами.
Автором эксперимента стал старший сотрудник ИЯИ РАН, житель Троиц¬ка Александр Ивашкин. Учёный более 10 лет работает со студентами и аспирантами МФТИ и МИФИ.
«В 50 х годах прошлого века один из основателей квантовой теории, Дэвид Бом, пришёл к выводу, что аннигиляционные фотоны при взаимодействии со средой теряют запутанность, – поясняет Ивашкин. – Мы решили вернуться к этому процессу, но уже на новом уровне: теория и экспериментальные методы развиваются, не стоят на месте. Мы решили сравнить напрямую поляризационные корреляции запутанных и распутанных (по научному – декогерентных) фотонов. Бом выдвигал свои идеи во время становления квантовой физики. С тех пор появилась теория декогерентности, теория слабых квантовых измерений, но ясности в описании данного процесса это не прибавляло. Поэтому мы вернулись назад, чтобы проверить идеи Бома, но с новым пониманием».
Синусоида или прямая?
В центре экспериментальной установки расположен источник, излучающий позитроны. Они тут же взаимодействуют с окружающими электронами, после чего образуются два аннигиляционных фотона. Эти фотоны попадают в комптоновский рассеиватель и передают часть своей энергии одному из электронов этого рассеивателя. Это и есть, по словам учёного, «подножка для фотона». Рассеянный фотон, «еле живой», улетает под большим углом в комптоновский поляриметр, который меряет углы рассеяния фотона, то есть его поляризацию.
«Мы меряем углы рассеяния обоих аннигиляционных фотонов, – поясняет Ивашкин. – Квантовая корреляция поляризаций заключается в том, что, когда один фотон рассеивается горизонтально, другой фотон, преимущественно, должен рассеяться вертикально. Мы сравниваем срабатывание горизонтального счётчика с вертикальным, и наоборот. Система симметрична, поэтому мы берём пары перпендикулярных детекторов и меряем количество отчётов в этих парах. В случае запутанных фотонов получается синусоидальная зависимость, которая показывает, что наиболее вероятно фотоны рассеиваются под углом 90 градусов. И это как раз говорит о том, что поляризации двух фотонов взаимно перпендикулярны. И мы действительно это видим. Корреляции, которые мы наблюдаем между запутанными фотонами, в два раза выше, чем корреляции между обычными, незапутанными фотонами с взаимно перпендикулярными поляризациями. При этом, согласно идее Бома, если фотон взаимодействует со средой и теряет запутанность, то корреляции должны полностью исчезнуть. В итоге получится не синусоидальная зависимость, а горизонтальная прямая».
Проблема ПЭТов
Результаты, полученные Александром Ивашкиным и его группой на установке в ИЯИ РАН, говорят о том, что квантовая запутанность аннигиляционных фотонов сохраняется даже в случае взаимодействия фотонов с окружающей средой. Это напрямую влияет на работу томографов, которые используются в медицине для диагностики.
«Позитронно-эмиссионные томографы, или ПЭТы, начали делать в 60–70 е годы, – рассказывает Ивашкин. – В глюкозу впрыскивается активный изотоп, который излучает позитроны. Глюкозу вводят в кровь человеку, и человек начинает “светиться”, то есть начинают излучаться аннигиляционные фотоны. Причём в основном – из патологических областей, типа опухолей, потому что они очень агрессивно захватывают глюкозу. И получается, даже если опухоль настолько мала, что её не видно на МРТ, в ПЭТах она начинает светиться, как лампочка».
В чём же заключается проблема, над которой работают учёные всего мира?
«Когда позитрон рождается в опухоли, он тут же аннигилирует с электроном, и появляется два фотона, – поясняет Ивашкин. – Они должны лететь под углом 180 градусов друг к другу. Но многие фотоны, пока летят, взаимодействуют с телом человека, и угол между фотонами становится уже другим, что мешает определить локализацию патологии. Согласно идее Бома, в этом случае должна теряться квантовая запутанность между фотонами, то есть поляризации фотонов перестают быть взаимно перпендикулярными. И при измерении поляризации не должно выявляться синусоидальной зависимости. Мы тоже были в этом уверены, когда начинали эксперимент. Поэтому хотели сделать прямое сравнение между запутанными и декогерентными фотонами и показать, что они действительно совершенно разные. Мы набирали результаты около полугода, собрали огромную статистику. Начали обрабатывать данные. И внезапно оказалось, что запутанные и декогерентные фотоны ведут себя совершенно одинаково. Это как раз и указывает, что декогеренции не происходит, а фотоны остаются запутанными во всех случаях».
В томографе взаимодействие фотонов в теле человека создаёт паразитный эффект. То есть опухоль окружена большим ореолом других событий, которые создают фон.
«Согласно теории Бома, этот фон можно убрать, – поясняет Ивашкин. – И над этой задачей работали многие лаборатории мира. Но жизнь оказалась прозаичнее. Мы считаем, что закрыли эту тему. Прямого подхода к подавлению фона в ПЭТах нет. Поначалу мы были сильно разочарованы полученными результатами, даже подавлены. Но потом в известном научном журнале было отмечено, что русская группа открыла эффект устойчивости квантовой запутанности аннигиляционных фотонов. И мы осознали, что у нашей истории есть продолжение».
Наталья МАЙ
фото Кирилла ШАШКОВА / ООО «МЕДИАГОРОД»