Protokol kunne gøre det lettere at teste kvantenaturen af ​​store objekter - Physics World

Protokol kunne gøre det lettere at teste kvantenaturen af ​​store objekter - Physics World

Tidsstempel: 4. januar 2024 kl. 9

Oscillerende objekt
Oscillerende objekt: den nye protokol evaluerer Leggett-Garg-uligheden uden behov for at skabe en makroskopisk kvantetilstand. (Med høflighed: Shutterstock/Evgenia-Fux)

En protokol til at teste kvantenaturen af ​​store objekter - som i princippet kan fungere for objekter af enhver masse - er blevet foreslået af forskere i Storbritannien og Indien. Et nøgletræk ved protokollen er, at det omgår behovet for at skabe en makroskopisk kvantetilstand for at teste, hvorvidt kvantemekanik er gyldig i store skalaer. Nogle fysikere er dog ikke overbeviste om, at forskningen udgør et væsentligt fremskridt.

Kvantemekanik gør et fantastisk stykke arbejde med at beskrive atomer, molekyler og subatomære partikler som elektroner. Større objekter viser dog normalt ikke kvanteadfærd som f.eks. sammenfiltring og superposition. Dette kan forklares i form af kvantedekohærens, som opstår, når sarte kvantetilstande interagerer med støjende miljøer. Dette får makroskopiske systemer til at opføre sig i henhold til klassisk fysik.

Hvordan kvantemekanikken bryder sammen på makroskopiske skalaer er ikke kun teoretisk fascinerende, men også afgørende for forsøg på at udvikle en teori, der forener kvantemekanikken med Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Fysikere er derfor opsatte på at observere kvanteadfærd i stadigt større objekter.

Formidabel udfordring

At skabe makroskopiske kvantetilstande og bevare dem længe nok til at observere deres kvanteadfærd er en formidabel udfordring, når man har at gøre med objekter, der er meget større end atomer eller molekyler, der holdes i en fælde. Faktisk blev kvantesammenfiltringen af ​​vibrerende makroskopiske trommeskinner (hver 10 mikron store) af to uafhængige grupper – en i USA og en i Finland – valgt som Fysik verden årets gennembrud 2021 for holdenes eksperimentelle dygtighed.

Den nye protokol er inspireret af Leggett-Garg uligheden. Dette er en modifikation af Bells ulighed, som vurderer, om to objekter er kvantemekanisk sammenfiltret ud fra korrelationen mellem målinger af deres tilstande. Hvis Bells ulighed krænkes, er målingerne korreleret så godt, at hvis deres tilstande var uafhængige, ville information have været nødt til at rejse hurtigere end lyset mellem objekterne. Fordi superluminal kommunikation menes at være umulig, tolkes en krænkelse som bevis på kvantesammenfiltring.

Leggett-Garg uligheden anvender det samme princip på sekventielle målinger af det samme objekt. En egenskab ved objektet måles først på en måde, der – hvis det er et klassisk (ikke-kvante) objekt – er ikke-invasiv. Senere foretages endnu en måling. Hvis objektet er en klassisk enhed, så ændrer den første måling ikke resultatet af den anden måling. Men hvis objektet er defineret af en kvantebølgefunktion, vil selve målehandlingen forstyrre det. Som et resultat kan korrelationer mellem successive målinger afsløre, om objektet adlyder klassisk eller kvantemekanik.

Oscillerende nanokrystal

I 2018, den teoretiske fysiker Sougato Bose ved University College London og kolleger foreslog at lave en sådan test på en afkølet nanokrystal, der svinger frem og tilbage i en optisk harmonisk fælde. Positionen af ​​nanokrystallen ville blive bestemt ved at fokusere en lysstråle på den ene side af en fælde. Hvis lyset passerer igennem uden at spredes, er objektet i den anden side af fælden. Ved at observere den samme side af fælden senere, kan man beregne, om Leggett-Garg-uligheden er overtrådt eller ej. Hvis det er tilfældet, ville en indledende ikke-detektering af objektet have forstyrret dets kvantetilstand, og derfor ville nanokrystallen vise kvanteadfærd.

Problemet, siger Bose, er, at massen skal måles i samme side af fælden to gange. Dette er kun levedygtigt for masser med korte perioder med oscillation, fordi kvantetilstanden skal forblive sammenhængende under hele målingen. Store interessemasser vil dog have perioder, der er for lange til, at dette kan virke. Nu foreslår Bose og kolleger, at den anden måling foretages på et sted, som det forventes at have nået, hvis objektet adlyder klassisk mekanik.

"Det er meget bedre at gå til det sted, hvor det ville gå på grund af dets normale svingning og finde ud af, hvor meget det adskiller sig ved det sted," siger Bose.

Fordelen ved denne ordning er, at så længe objektet forbliver i en sammenhængende tilstand, bør det være muligt at udføre eksperimentet for objekter af enhver masse, da det altid er muligt at beregne den forventede position af en klassisk harmonisk oscillator. Det bliver sværere at isolere større objekter, men Bose mener, at disse tilsyneladende klassiske tilstande ville være mere robuste over for støj end eksotiske makroskopiske kvantetilstande såsom superpositioner.

Sporing af systemudvikling

Kvantefysiker Vlatko Vedral fra University of Oxford er enig i, at forskernes tilgang kan give fordele i forhold til eksperimenter, der forsøger at bruge rumligt adskilte makroskopiske kvantetilstande. Han siger dog, at "det, der bliver vigtigt i disse målinger, er ikke så meget starttilstanden, men sekvensen af ​​målinger, du foretager," og at sporing af systemets udvikling efter den første måling, så korrelationerne afsløres, "ikke er overhovedet et trivielt problem”.

Han er også skeptisk over for påstanden om masseuafhængighed. "Jeg ved ikke i praksis, hvor let det er at opnå," siger han, "men det hænger simpelthen sammen med størrelsen, for jo flere undersystemer du har, jo mere lækage vil du have til miljøet."

Tony Leggett (som udviklede uligheden i 1980'erne sammen med Anupam Garg) er en ekspert i grundlaget for kvantemekanik, der delte 2003 Nobelprisen for sit arbejde med superledning og supervæsker. Nu emeritus professor ved University of Illinois, ser han et andet problem med Bose og kollegers arbejde. "Det er meget tydeligt, at disse forskere er overbeviste om, at kvantemekanikken vil fortsætte med at virke - jeg er ikke så sikker," siger han.

Leggett bemærker dog, at beviser for nedbrydning af kvantemekanik ville blive fortolket af de fleste i fysiksamfundet som et resultat af dekohærens - hvilket kunne være forårsaget af en invasiv måling. I modsætning til eksperimenter på kendte tilstande – som han har været en del af – siger han, at Bose og kolleger ikke præsenterer et middel til at teste, hvor invasiv deres måling er, ved for eksempel at bruge den samme måleprotokol på et andet sæt tilstande.

Forskningen er beskrevet i et papir, der er blevet godkendt til offentliggørelse i Physical Review Letters. A fortryk er tilgængelig på arXiv.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden