«Граючи» на двох мініатюрних барабанах, фізики продемонстрували, що сплутані квантові стани – дивний ефект, який зазвичай спостерігають лише в субатомних частинок, – може характеризувати і значно більші об’єкти.
Мініатюрні алюмінієві мембрани з експерименту Котлера.
Результати досліджень, описані у двох статтях, що вийшли 6 травня в журналі Science, потенційно можуть дозволити створити вимірювальні пристрої безпрецедентної чутливості, а також квантові комп’ютери, які багаторазово перевершуватимуть обчислювальні можливості звичайних комп’ютерів.
Контрінтуїтивні закони квантової механіки постулюють, що два об’єкти можуть перебувати у так званому «сплутаному» стані, який полягає у тому, що вимірювані властивості одного об’єкта стають ідеально узгодженими з властивостями іншого незалежно від відстані між ними. Такої узгодженості неможливо досягнути у класичній фізиці.
Хоча ніщо у квантовій фізиці не обмежує цей ефект лише масштабами субатомних частинок, квантові ефекти на більших масштабах, згідно з теорією, стають настільки незначними, що їх неможливо спостерігати на практиці. Фізики вже тривалий час сперечаються, які причини цього. Дехто вважає, що основну роль тут відіграють обмеження наших вимірювальних пристроїв, тоді як інші дотримуються думки, що мікро- та макроскопічними світами керують принципово відмінні закони. Щоб розв’язати цю проблему, дослідники намагаються спостерігати квантові явища на щораз більших масштабах. «Фундаментальне запитання нашого дослідження полягає у тому, чи квантова механіка працює у “класичному” світі», – каже Міка Сіланпяя, фізик з Університету Аалто у Фінляндії.
В експерименті, який провела команда Шломі Котлера у Національному інституті стандартів та технологій у Боулдері (Колорадо), вчені створили дві вібрувальні алюмінієві мембрани діаметром 10 мікрометрів, що нагадують барабани. Хоча їх ледь можна побачити неозброєним оком, вони є гігантськими, як порівняти зі світом субатомних частинок. Кожна з цих мембран складалася приблизно із трильйона атомів. Відколи приблизно століття тому фізики відкрили закони квантової механіки, «ніхто не припускав, що квантовий експеримент можна провести з чимось настільки великим», – стверджує Котлер, співробітник Єврейського університету в Єрусалимі.
Команда спрямувала на мембрани пучок фотонів у мікрохвильовому діапазоні й заставила їх синхронно коливатись, причому їхні рухи опинилися у сплутаному стані. Кожного разу, коли вони відхилялись вниз або вверх, вимірювання показували, що вони перебували у точнісінько однаковому положенні й рухалися з протилежною швидкістю. В минулому дві інші лабораторії вже проводили квантові вимірювання на макроскопічних об’єктах, які теж непрямо свідчили про те, що вони перебували у сплутаних станах, але команда Котлера зуміла зафіксувати цей стан з небаченою раніше точністю, підсилюючи сигнал у момент, коли він виходив з їхніх датчиків. За його словами, це аналогічно тому, як старі програвачі попередньо підсилювали свій сигнал перш ніж передати його на основний підсилювач, що дозволяло усунути шипіння. Колеги Котлера також удосконалили методи своїх попередників, що дало їм змогу набагато надійніше створювати стан сплутаності.
Такі експерименти можуть відіграти вирішальну роль у створенні квантових комп’ютерів, які зможуть записувати і зчитувати інформацію з масиву вібрувальних мембран. Компанія Amazon вже оголосила, що досліджує можливість використання вібрувальних кристалів для запису і опрацювання квантової інформації.
В іншому експерименті команда науковців на чолі з Міко Сіланпяєю дослідила межі дії принципу невизначеності Гейзенберга, який полягає у тому, що будь-яке вимірювання змінює стан об’єкта, якого вимірюють.
Ці вчені теж створили пару мініатюрних алюмінієвих барабанів і синхронізувала їхні коливання за допомогою мікрохвильових фотонів, які як змушували їх вібрувати, так і зчитували їхні положення. Але їхній експеримент мав іншу мету. Вони хотіли встановити, де проходить межа між квантовою та неквантовою поведінкою. Для цього вони налаштували осциляцію цих барабанів у такий спосіб, щоб вони вібрували координовано, але не повністю ідентично, а деякі їхні вимірювальні властивості збігалися з властивостями віртуального осцилятора.
Це дозволило виміряти позицію віртуального осцилятора, не впливаючи на його швидкість. Унаслідок принципу невизначеності Гейзенберга таке вимірювання було б неможливим для квантового осцилятора. За словами Хой-Кван Лау, фізика-теоретика з Університету Саймона Фрезера у Барнебі (Канада), науковці з команди Сіланпяя «використали закони квантової механіки, щоб обійти закони квантової механіки».
Випробувані у цих експериментах технології можуть дозволити створити сенсори, які потенційно долатимуть обмеження, які квантова механіка накладає на вимірювання. На думку Лау, такі сенсори можуть бути використані для ультрапрецизійних вимірювань магнітної або гравітаційної взаємодії.
Davide Castelvecchi
Minuscule drums push the limits of quantum weirdness
Nature, 6/05/2021
Зреферував Є. Л.
09.05.2021