Квантовий термометр зможе виміряти найнижчу температуру у Всесвіті
Звичайні термометри, використовувані в побуті, придатні для вимірювання температури тільки в дуже обмеженому діапазоні. Але що, якщо раптом комусь знадобиться виміряти температуру найбільш холодної матерії у Всесвіті? Звичайним ртутним або електронним термометром тут вже не обійтися, для такої справи потрібно мінімум спеціальний квантовий термометр.
Для довідки варто відзначити, що сама холодна річ у Всесвіті - це конденсат Бозе-Ейнштейна (Bose-Einstein condensate, BEC). Він являє собою особливий стан матерії, газоподібну субстанцію з елементарних частинок, охолоджених до температури, близької до абсолютного нуля, до найнижчої температури, наскільки це можливо. З-за таких умов велика частина частинок-бозонів знаходиться в самому низкоэнергетическом квантовому стані, в стані, в якому навіть квантові ефекти проявляються вкрай слабо.
Зазвичай конденсат Бозе-Ейнштейна створюється і охолоджується всередині магнітної пастки, яка утримує всі частинки і перешкоджає їм контактувати з навколишнім середовищем. Перебуваючи в такому стані, у стані конденсату Бозе-Ейнштейна, всі атоми речовини діють як єдиний квантовий об'єкт. Конденсат Бозе-Ейнштейна є найхолоднішою річчю, яку коли-небудь вдавалося отримувати вченим у своїх лабораторіях. Для порівняння варто зауважити, що навіть відкритий космос є більш "теплим", ніж конденсат Бозе-Ейнштейна.
Природно, температуру конденсату не можна виміряти ніякою звичайним термометром. Зазвичай, для розрахунку температури цього конденсату вчені-фізики підраховують кількість частинок, що знаходяться в більш высокоэнергетическом стан і кількість частинок, що знаходяться в найнижчому енергетичному стані. Співвідношення кількості цих частинок дозволяє вирахувати температуру конденсату Бозе-Ейнштейна. Але для того, щоб виміряти температуру подібним чином, потрібно випустити частинки з магнітної пастки, що призводить до руйнування квантової цілісності конденсату Бозе-Ейнштейна.
Вчені з університету Ноттінгема у Великобританії, схоже, знайшли відповідне рішення для вищеописаної проблеми. Вони розробили метод вимірювання температури конденсату Бозе-Ейнштейна при якому не потрібно випускати його з магнітної пастки. Для того, щоб зробити це, вчені захопили в оптичну пастку лазерних променів кілька атомів і перемістили ці атоми через конденсат Бозе-Ейнштейна.
Спочатку "вимірювальні" атоми були поміщені в стан квантової суперпозиції і мали різні енергетичні стани. Коли атоми переміщувалися через конденсат, низька температура призвела до змін квантового стану атомів. І по відмінностям між кінцевими квантовими станами "вимірювальних" атомів можна розрахувати температуру конденсату Бозе-Ейнштейна, який міститься в магнітній пастці, не піддаючись нагрівання і руйнування у процесі вимірювання його температури.
Такий "квантовий термометр" може бути використаний не тільки для вимірювання температури конденсату Бозе-Ейнштейна. Його можна використовувати і в ряді інших наукових експериментів, зокрема, для вимірювання невеликої кількості радіації, випромінюваної чорною дірою, що визначається квантової теорії. Очевидно, що наблизитися і заміряти температуру чорної діри ніяк не вийде, але вчені можуть перевірити цю ідею, вимірюючи зміни штучної мініатюрної чорної діри, створеної в лабораторії.