Το πρωτόκολλο θα μπορούσε να διευκολύνει τον έλεγχο της κβαντικής φύσης μεγάλων αντικειμένων - Physics World

Ένα πρωτόκολλο για τη δοκιμή της κβαντικής φύσης μεγάλων αντικειμένων – το οποίο, καταρχήν, θα μπορούσε να λειτουργήσει για αντικείμενα οποιασδήποτε μάζας – έχει προταθεί από ερευνητές στο Ηνωμένο Βασίλειο και την Ινδία. Ένα βασικό χαρακτηριστικό του πρωτοκόλλου είναι ότι παρακάμπτει την ανάγκη δημιουργίας μιας μακροσκοπικής κβαντικής κατάστασης για να ελεγχθεί εάν η κβαντική μηχανική είναι έγκυρη ή όχι σε μεγάλη κλίμακα. Ορισμένοι φυσικοί, ωστόσο, δεν είναι πεπεισμένοι ότι η έρευνα αποτελεί σημαντική πρόοδο.

Η κβαντομηχανική κάνει μια φανταστική δουλειά στην περιγραφή ατόμων, μορίων και υποατομικών σωματιδίων όπως τα ηλεκτρόνια. Ωστόσο, τα μεγαλύτερα αντικείμενα συνήθως δεν εμφανίζουν κβαντική συμπεριφορά, όπως η εμπλοκή και η υπέρθεση. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί με όρους κβαντικής αποσυνοχής, η οποία συμβαίνει όταν οι ευαίσθητες κβαντικές καταστάσεις αλληλεπιδρούν με θορυβώδη περιβάλλοντα. Αυτό κάνει τα μακροσκοπικά συστήματα να συμπεριφέρονται σύμφωνα με την κλασική φυσική.

Το πώς διασπάται η κβαντική μηχανική σε μακροσκοπικές κλίμακες δεν είναι μόνο θεωρητικά συναρπαστικό αλλά και κρίσιμο για τις προσπάθειες ανάπτυξης μιας θεωρίας που συμβιβάζει την κβαντική μηχανική με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Ως εκ τούτου, οι φυσικοί ενδιαφέρονται να παρατηρήσουν την κβαντική συμπεριφορά σε όλο και μεγαλύτερα αντικείμενα.

Τρομερή πρόκληση

Η δημιουργία μακροσκοπικών κβαντικών καταστάσεων και η διατήρησή τους για αρκετό καιρό ώστε να παρατηρηθεί η κβαντική τους συμπεριφορά είναι μια τρομερή πρόκληση όταν αντιμετωπίζουμε αντικείμενα πολύ μεγαλύτερα από άτομα ή μόρια που κρατούνται σε μια παγίδα. Πράγματι, η κβαντική εμπλοκή των δονούμενων μακροσκοπικών κεφαλών τυμπάνων (κάθε 10 micron σε μέγεθος) από δύο ανεξάρτητες ομάδες – μία στις ΗΠΑ και μία στη Φινλανδία – επιλέχθηκε ως Η φυσική του κόσμου ανακάλυψη του έτους 2021 για την πειραματική ικανότητα των ομάδων.

Το νέο πρωτόκολλο είναι εμπνευσμένο από την ανισότητα Leggett-Garg. Αυτή είναι μια τροποποίηση της ανισότητας του Bell, η οποία αξιολογεί εάν δύο αντικείμενα είναι κβαντομηχανικά μπλεγμένα από τη συσχέτιση μεταξύ των μετρήσεων των καταστάσεων τους. Εάν παραβιαστεί η ανισότητα του Bell, οι μετρήσεις συσχετίζονται τόσο καλά που, εάν οι καταστάσεις τους ήταν ανεξάρτητες, οι πληροφορίες θα έπρεπε να ταξιδέψουν ταχύτερα από το φως μεταξύ των αντικειμένων. Επειδή η υπερφωτεινή επικοινωνία θεωρείται αδύνατη, μια παραβίαση ερμηνεύεται ως απόδειξη κβαντικής εμπλοκής.

Η ανισότητα Leggett-Garg εφαρμόζει την ίδια αρχή σε διαδοχικές μετρήσεις του ίδιου αντικειμένου. Μια ιδιότητα του αντικειμένου μετριέται πρώτα με τρόπο που – εάν πρόκειται για κλασικό (μη κβαντικό) αντικείμενο – είναι μη επεμβατικό. Αργότερα γίνεται άλλη μέτρηση. Εάν το αντικείμενο είναι μια κλασική οντότητα, τότε η πρώτη μέτρηση δεν αλλάζει το αποτέλεσμα της δεύτερης μέτρησης. Ωστόσο, εάν το αντικείμενο ορίζεται από μια κβαντική κυματοσυνάρτηση, η ίδια η πράξη μέτρησης θα το διαταράξει. Ως αποτέλεσμα, οι συσχετισμοί μεταξύ διαδοχικών μετρήσεων μπορούν να αποκαλύψουν εάν το αντικείμενο υπακούει στην κλασική ή την κβαντική μηχανική.

Ταλαντούμενος νανοκρύσταλλος

Το 2018 ο θεωρητικός φυσικός Σουγάτο Μπόσε στο University College του Λονδίνου και οι συνεργάτες του πρότειναν να γίνει μια τέτοια δοκιμή σε έναν ψυχρό νανοκρυστάλλο που ταλαντώνεται εμπρός και πίσω σε μια οπτική αρμονική παγίδα. Η θέση του νανοκρυστάλλου θα προσδιοριζόταν εστιάζοντας μια δέσμη φωτός στη μία πλευρά μιας παγίδας. Αν το φως περάσει χωρίς να διασκορπιστεί, το αντικείμενο βρίσκεται στην άλλη πλευρά της παγίδας. Παρατηρώντας την ίδια πλευρά της παγίδας αργότερα, μπορεί κανείς να υπολογίσει εάν παραβιάζεται ή όχι η ανισότητα Leggett-Garg. Εάν είναι, μια αρχική μη ανίχνευση του αντικειμένου θα είχε διαταράξει την κβαντική του κατάσταση και επομένως ο νανοκρύσταλλος θα εμφανίσει κβαντική συμπεριφορά.

Το πρόβλημα, λέει ο Bose, είναι ότι η μάζα πρέπει να μετρηθεί στην ίδια πλευρά της παγίδας δύο φορές. Αυτό είναι βιώσιμο μόνο για μάζες με μικρές περιόδους ταλάντωσης επειδή η κβαντική κατάσταση πρέπει να παραμείνει συνεκτική καθ' όλη τη διάρκεια της μέτρησης. Ωστόσο, μεγάλες μάζες ενδιαφέροντος θα έχουν πολύ μεγάλες περιόδους για να λειτουργήσει. Τώρα, ο Bose και οι συνεργάτες του προτείνουν να γίνει η δεύτερη μέτρηση σε μια θέση που, εάν το αντικείμενο υπακούει στην κλασική μηχανική, αναμένεται να έχει φτάσει.

«Είναι πολύ καλύτερο να πάτε στο μέρος όπου θα πήγαινε λόγω της κανονικής ταλάντωσής του και να μάθετε πόσο διαφέρει σε αυτό το μέρος», λέει ο Bose.

Το πλεονέκτημα αυτού του σχήματος είναι ότι, εφόσον το αντικείμενο παραμένει σε συνεκτική κατάσταση, θα πρέπει να είναι δυνατό να γίνει το πείραμα για αντικείμενα οποιασδήποτε μάζας, καθώς είναι πάντα δυνατός ο υπολογισμός της αναμενόμενης θέσης ενός κλασικού αρμονικού ταλαντωτή. Γίνεται πιο δύσκολο να απομονωθεί ένα μεγαλύτερο αντικείμενο, αλλά ο Bose πιστεύει ότι αυτές οι φαινομενικά κλασικές καταστάσεις θα ήταν πιο ανθεκτικές στον θόρυβο από τις εξωτικές μακροσκοπικές κβαντικές καταστάσεις, όπως οι υπερθέσεις.

Εξέλιξη του συστήματος παρακολούθησης

Κβαντικός φυσικός Vlatko Vedral του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης συμφωνεί ότι η προσέγγιση των ερευνητών θα μπορούσε να προσφέρει οφέλη σε σχέση με τα πειράματα που επιχειρούν να χρησιμοποιήσουν χωρικά διαχωρισμένες μακροσκοπικές κβαντικές καταστάσεις. Ωστόσο, λέει ότι «αυτό που γίνεται σημαντικό σε αυτές τις μετρήσεις δεν είναι τόσο η αρχική κατάσταση αλλά η αλληλουχία των μετρήσεων που κάνετε» και ότι η παρακολούθηση της εξέλιξης του συστήματος μετά την πρώτη μέτρηση ώστε να αποκαλυφθούν οι συσχετίσεις «δεν είναι ένα καθόλου ασήμαντο πρόβλημα».

Πώς να μετρήσετε την κβαντική συμπεριφορά σε νανοκρυστάλλους

Είναι επίσης δύσπιστος για τη διεκδίκηση της μαζικής ανεξαρτησίας. «Δεν ξέρω στην πράξη πόσο εύκολο είναι να επιτευχθεί αυτό», λέει, «αλλά απλώς σχετίζεται με το μέγεθος, επειδή όσο περισσότερα υποσυστήματα έχετε τόσο περισσότερη διαρροή θα έχετε στο περιβάλλον».

Τόνι Λέγκετ (ο οποίος ανέπτυξε από κοινού την ανισότητα τη δεκαετία του 1980 με τον Anupam Garg) είναι ειδικός στα θεμέλια της κβαντικής μηχανικής που μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ του 2003 για το έργο του σχετικά με την υπεραγωγιμότητα και τα υπερρευστά. Τώρα, ομότιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις, βλέπει ένα άλλο ζήτημα με το έργο του Bose και των συναδέλφων του. «Είναι πολύ σαφές ότι αυτοί οι ερευνητές είναι πεπεισμένοι ότι η κβαντομηχανική θα συνεχίσει να λειτουργεί – δεν είμαι τόσο σίγουρος», λέει.

Ο Leggett σημειώνει, ωστόσο, ότι τα στοιχεία για τη διάσπαση της κβαντικής μηχανικής θα ερμηνευόταν από τους περισσότερους στην κοινότητα της φυσικής ως αποτέλεσμα της αποσυνοχής - η οποία θα μπορούσε να προκληθεί από μια επεμβατική μέτρηση. Σε αντίθεση με τα πειράματα σε γνωστές καταστάσεις – των οποίων ήταν μέρος – λέει ότι ο Bose και οι συνεργάτες του δεν παρουσιάζουν ένα μέσο για να ελέγξουν πόσο επεμβατική είναι η μέτρησή τους χρησιμοποιώντας, για παράδειγμα, το ίδιο πρωτόκολλο μέτρησης σε διαφορετικό σύνολο καταστάσεων.

Η έρευνα περιγράφεται σε μια εργασία που έγινε αποδεκτή για δημοσίευση στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης. A προεκτύπωση είναι διαθέσιμη στο arXiv.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/