Нове вікно у квантовий світ відкрилося завдяки мікроскопічній частинці скла, що левітує в промені світла.
У тому, що може бути найменшим диско у світі, фізики переплели властивості частинки зі світлом так тісно, що одна не може бути описана без включення іншої.
Це явище називається квантовою заплутаністю, і цей експеримент став першим, що продемонстрував стійку заплутаність між рухом левітуючого об'єкта та світлом, яке від нього відходить, без використання кріогенних температур.
Це досягнення, за словами дослідників, може відкрити нові шляхи для квантових комунікацій та тестування квантової фізики.
Фізик Франческо Марін з Університету Флоренції в Італії зазначив, що завжди був зацікавлений у можливості спостереження квантових ефектів у макроскопічних системах, що особливо проявляється в експериментах з квантовою оптомеханікою.
Він і його колеги вже показали, що можуть використовувати світло для охолодження руху левітуючої скляної нано-сфери, наближаючи її до дивного світу, де квантові ефекти починають мати значення.
Наступною метою було посилити взаємодію між світлом і рухом нано-сфери до точки, де виникає заплутаність – ймовірно, найвизначніше і найпарадоксальніше явище в квантовій механіці.
Заплутаність є одним з найстранніших наслідків квантової механіки – коли властивості двох об'єктів стають настільки глибоко корельованими, що їх не можна повністю описати незалежно.
Фізики продемонстрували це безліч разів з крихітними частинками, які населяють квантовий світ – фотонами та атомами, наприклад.
Навіть на цьому масштабі делікатні кореляції квантової заплутаності легко порушуються взаємодією з навколишнім середовищем. І чим більшим і складнішим стає об'єкт, тим важче зберегти його квантову поведінку.
Марін і його команда хотіли дізнатися, чи можна викликати заплутаність у маленькій скляній кульці. Для наших очей ця частинка була б абсолютно непомітною – її розмір становив всього 100 нанометрів, приблизно як вірус.
Однак у порівнянні з квантовим світом ця нано-сфера була б колосом, що містить десятки мільйонів атомів.
Квантова поведінка, яка цікавила дослідників, не стосувалася жодного з цих атомів, а стосувалася руху всієї сфери в центрі мас.
Щоб зберегти ізоляцію, яка дозволила б квантову поведінку, сфера не була прикріплена до нічого.
Вона левітувала в щільно сфокусованому лазерному промені, званому оптичним пінцетом, який використовує силу, що діє від світла, щоб утримувати нано-сферу в повітрі та обмежувати її між двома протилежними дзеркалами, які формують оптичну камеру, дозволяючи їй коливатися навколо свого рівноважного положення.
Це відбувалося в камері з близьким вакуумом, що ізолювало рух сфери від зовнішніх впливів, які інакше знищили б крихку квантову поведінку.
Але створення заплутаності виявилося набагато складнішим.
Дослідники повинні були відокремити охолодження сфери від заплутаності зі світлом.
Рішення полягало в тому, щоб розділити ці два явища, використовуючи два різні лазери – один червоний, а інший синій, відносно різних резонансів оптичної камери, і поєднати їх, щоб створити один двоколірний пінцет.
Ці два окремі лазери виконували різні завдання. Червоний лазер охолоджував і стабілізував маленькі коливання сфери, наближаючи її рух до квантового основного стану. Синій лазер потім міг спробувати основну задачу: заплутати цей рух зі світлом.
Заплутаність пов'язувала положення і імпульс сфери, коли вона коливалася в пастці, з властивостями світла, які називаються квадратирами, що аналогічні його амплітуді та фазі.
Заплутаність означає, що квантові флуктуації цих двох систем більше не можуть бути описані незалежно.
Важливо, що для цього не потрібно було охолоджувати весь апарат до кріогенних температур, як це роблять багато експериментів з квантовою оптомеханікою.
Лише рух сфери охолоджувався, тоді як левітація та близьковакуумне середовище захищали цей охолоджений рух від зовнішніх впливів.
Однак створення заплутаності – це лише половина справи. Інша половина полягає в тому, щоб довести, що кореляції дійсно є квантовими, а не чимось, що створено класичною фізикою.
Експеримент демонструє свою хитрість, оскільки ці докази були закодовані в світлі, що відходить від сфери.
Коли сфера коливалася всередині оптичної камери, інформація про її рух ставала закодованою в світлі.
Вимірюючи світло, що виходить з камери, дослідники могли відтворити кореляції між положенням і імпульсом сфери та квадратирами світла.
Квантова механіка надає поріг для розрізнення заплутаних систем від роздільних. Коли команда відтворила повний малюнок кореляцій, їх вимірювання перетнули цей поріг – і залишалися на заплутаній стороні, навіть коли дослідники враховували експериментальні невизначеності та змінювали припущення, використані в їхньому аналізі.
Це дає нам впевненість, що кореляції, які ми спостерігаємо, дійсно є квантовими і відповідають заплутаності між рухом нано-сфери та світлом.
Цей результат не з'явився раптово на екрані. Експеримент тривав години, поки камера досягала достатньо низького тиску, а три лазерні системи залишалися стабільними.
Навіть після початку збору даних докази накопичувалися повільно.
Коли метод аналізу оптимізовано, ми обробляємо все більші набори даних, і поступово присутність заплутаності з'являється з статистичною значущістю.
Це момент полегшення… ми усвідомлюємо, що досягли мети.
Однак особливо корисним є те, що сталося з заплутаним світлом далі: воно покинуло.
На відміну від скляної кульки, квантові кореляції не були обмежені світлом, що затримується між дзеркалами оптичної камери. Вони зберігалися в світлі, що відходило від нано-сфери – перетворюючи його на щось, що, принаймні в теорії, могло б перенести ці кореляції куди-небудь ще.
Фізики повинні зміцнити заплутаність і навчитися контролювати її динамічно, а не просто спостерігати стаціонарний стан – кроки, які врешті-решт можуть дозволити квантову інформацію записувати, зберігати та відновлювати з механічного осцилятора.
Але фундаментальний інтерфейс, з якого можна будувати, тепер на місці і готовий до роботи.
Наступним викликом є перетворення цього інтерфейсу з чогось, що ми спостерігаємо, на щось, що ми можемо активно використовувати, і врешті-решт з'єднати кілька таких інтерфейсів – кілька нано-сфер у різних оптичних пінцетах – в більшу квантову систему.
Дослідження було опубліковане в Science.
Цікавий факт
Заплутаність є основою для багатьох нових технологій, таких як квантові комп'ютери, які можуть виконувати обчислення набагато швидше, ніж традиційні комп'ютери.
