{ "@context": "https://schema.org", "@type": "FAQPage", "mainEntity": [ { "@type": "Question", "name": "Що це означає на практиці", "acceptedAnswer": { "@type": "Answer", "text": "Поки що це фундаментальна наука, а не технологія, яку можна купити. Але саме такі експерименти прокладають дорогу до майбутніх квантових мереж і надчутливих сенсорів. Головний прорив - у тому, що весь цей зв'язок між макроскопічним об'єктом і світлом вдалося втримати без кріогеніки, за звичайних лабораторних умов. А отже, такі системи стають дешевшими, простішими й доступнішими для ширшого кола дослідників, ніж установки, що вимагають охолодження до мілікельвінів." } } ] } Уявіть кульку скла, у мільйони разів меншу за піщинку, що висить у промені лазера, наче пилинка в сонячному світлі. А тепер уявіть, що її рух і світло, яке від неї відлітає, стають настільки пов’язаними, що описати їх окремо вже неможливо. Саме це і зробила команда фізиків з Університету Флоренції на чолі з Франческо Маріном – і результат опубліковано в Science. Повідомляє T4 з посиланням на sciencealert.com. Йдеться про квантову заплутаність. Це явище, коли властивості двох об’єктів переплітаються так тісно, що вимірювання одного миттєво змінює стан іншого, хоч би як далеко вони були. Звучить як фантастика, але фізики демонстрували це тисячі разів – щоправда, переважно на фотонах і атомах, тобто на найдрібнішому, що взагалі існує. А ось із чимось більшим усе набагато складніше. Тут є нюанс. Що більший і складніший об’єкт, то легше сторонні взаємодії руйнують його квантову поведінку. Тому більшість подібних експериментів вимагають кріогенного охолодження – буквально занурення всієї установки в холод, близький до абсолютного нуля. Команда Маріна пішла іншим шляхом. Їхня наносфера мала всього 100 нанометрів у діаметрі – приблизно як вірус. Але порівняно з квантовим світом це справжній колос: десятки мільйонів атомів в одній крихітній кульці. Як скляну кульку змусили поводитися по-квантовому Фото: sciencealert.com Цікаво, що заплутували не якийсь окремий атом усередині сфери, а рух усієї кульки як цілого – її центр мас. І щоб цей рух залишався «чистим», сферу ні до чого не прикріплювали. Її втримували в оптичному пінцеті – це сильно сфокусований лазерний промінь, який силою тиску світла (так званим радіаційним тиском) тримає частинку в повітрі й не дає їй утекти. Уся ця конструкція працювала в майже вакуумній камері. Вакуум тут не для краси – він ізолює рух сфери від зовнішніх збурень, які інакше миттєво стерли б тендітні квантові кореляції. А між двох дзеркал, що утворюють оптичний резонатор, кулька могла вільно коливатися навколо свого положення рівноваги. Але створити заплутаність виявилося значно складніше, ніж просто підвісити кульку. І ось тут криється головна хитрість експерименту. Світло, яке охолоджує рух сфери й заганяє його в квантовий режим, робить зовсім не те, що потрібно для заплутування. Воно заспокоює коливання. А світло, яке створює заплутаність, навпаки – нагріває сферу й зрештою дестабілізує її. Тобто дві задачі буквально тягнуть у протилежні боки. Розв’язок виявився елегантним: розділити їх між двома різними лазерами. Один, зсунутий у червоний бік спектра, охолоджував і стабілізував коливання сфери, підводячи її рух близько до квантового основного стану. Другий, зсунутий у синій бік, брався за головне – заплутування руху зі світлом. «Розв’язок полягав у тому, щоб роз’єднати ці два явища, використавши два різні лазери – один з червоним зсувом, інший із синім відносно різних резонансів оптичного резонатора – і об’єднати їх в один двоколірний пінцет», – пояснює Марін. Що ж саме заплуталося? Положення і імпульс сфери, коли вона коливається в пастці, виявилися пов’язаними з властивостями світла – так званими квадратурами, які є аналогами амплітуди й фази. «Заплутаність означає, що квантові флуктуації цих двох систем більше не можна описувати незалежно, – каже Марін. – Більше немає повного квантового опису “сфери” й “світла” окремо». Найцікавіше: лабораторія залишається теплою Ось що справді незвично. Ніякого кріогенного охолодження всієї установки не було. Охолоджували лише рух сфери – лазерами. А левітація плюс майже вакуумне середовище захищали це охолоджене коливання від зовнішніх впливів. «Тож навколишня лабораторія перебуває за кімнатної температури, але конкретний механічний ступінь свободи, який ми вивчаємо, підготовлений за набагато нижчої ефективної температури, – пояснює дослідник. – Поєднання левітації, високого вакууму й оптичного охолодження дозволяє квантовим кореляціям розвинутися перш ніж нагрівання середовища їх зруйнує». Друга половина битви – це довести, що кореляції справді квантові, а не породжені звичайною класичною фізикою. І тут експеримент показує свою витонченість. Докази буквально «записані» у світлі, яке відлітає від сфери. Поки кулька тремтить усередині резонатора, інформація про її рух кодується у світлі. Вимірюючи світло, що виходить із резонатора, дослідники могли відтворити повну картину кореляцій між положенням та імпульсом сфери і квадратурами світла. Квантова механіка дає поріг, який відділяє заплутані системи від просто корельованих. Коли команда відтворила всю картину, її вимірювання цей поріг перетнули – і залишалися на «заплутаному» боці навіть після врахування експериментальних невизначеностей і зміни припущень в аналізі. «Саме це дає нам упевненість, що кореляції, які ми спостерігаємо, справді квантові», – підкреслює Марін. Результат не виник як спалах на екрані. Експеримент довелося запускати годинами, поки тиск у камері впаде достатньо низько, а три лазерні системи залишаться стабільними весь цей час. Навіть після початку збору даних докази накопичувалися повільно. «Щойно метод аналізу оптимізовано, ми обробляємо дедалі більші набори даних, і поступово присутність заплутаності проявляється зі статистичною значущістю, – згадує вчений. – Це момент полегшення… ми усвідомлюємо, що в нас вийшло». Світло, яке виходить із пастки, – і чому це змінює все Але найкорисніше в цьому результаті – те, що сталося зі світлом далі. Воно пішло. На відміну від самої скляної кульки, квантові кореляції не залишилися замкненими між дзеркалами резонатора. Вони збереглися у світлі, що віддаляється від наносфери. А це, принаймні теоретично, перетворює його на носія цих кореляцій. «Поле, яке існує лише всередині резонатора, важко використати як квантовий ресурс деінде, – каже Марін. – Проте щойно світло залишає резонатор, воно стає подорожуючою квантовою системою. Його в принципі можна передати оптичною мережею, виміряти в іншому місці або змусити взаємодіяти з іншим квантовим пристроєм». Іншими словами, рухомий промінь – це той канал, який міг би з’єднати механічну систему із зовнішнім світом. Практичне значення тут ось у чому: квантові комп’ютери й мережі майбутнього потребують «вузлів», які вміють зберігати й передавати квантову інформацію. Механічний осцилятор, як ця наносфера, потенційно міг би стати таким вузлом – пам’яттю, до якої можна записати квантовий стан, зберегти його і згодом зчитати. Тепер фундаментальний інтерфейс для цього створено. Щоправда, до практичного застосування ще далеко: треба посилити заплутаність і навчитися керувати нею динамічно, а не лише спостерігати стаціонарний стан. Що це означає на практиці Поки що це фундаментальна наука, а не технологія, яку можна купити. Але саме такі експерименти прокладають дорогу до майбутніх квантових мереж і надчутливих сенсорів. Головний прорив – у тому, що весь цей зв’язок між макроскопічним об’єктом і світлом вдалося втримати без кріогеніки, за звичайних лабораторних умов. А отже, такі системи стають дешевшими, простішими й доступнішими для ширшого кола дослідників, ніж установки, що вимагають охолодження до мілікельвінів. «Наступний виклик – перетворити цей інтерфейс із того, що ми спостерігаємо, на те, чим ми можемо активно користуватися, – каже Марін, – і зрештою з’єднати кілька таких інтерфейсів – кілька наносфер у різних оптичних пінцетах – у більшу квантову систему». Саме тут і ховається найцікавіше питання. Якщо один тендітний зв’язок між склом і світлом уже вдалося втримати, то скільки таких вузлів можна зібрати разом, перш ніж вони почнуть руйнувати квантовий стан одне одного? Відповідь на це визначить, чи побачимо ми колись квантову мережу, зіткану з крихітних скляних кульок, підвішених у променях лазерів.The post Фізики заплутали левітуючу скляну наносферу зі світлом за кімнатної температури first appeared on T4 - сучасні технології та наука.