Protokoll võib lihtsustada suurte objektide kvantloomuse testimist – Physics World

Ühendkuningriigi ja India teadlased on välja pakkunud protokolli suurte objektide kvantloomuse testimiseks – mis põhimõtteliselt võiks töötada mis tahes massiga objektide puhul. Protokolli põhiomadus on see, et välditakse vajadust luua makroskoopiline kvantseisund, et kontrollida, kas kvantmehaanika kehtib suures mastaabis või mitte. Mõned füüsikud ei ole aga veendunud, et uurimistöö kujutab endast olulist edasiminekut.

Kvantmehaanika teeb fantastilist tööd aatomite, molekulide ja subatomaarsete osakeste, näiteks elektronide kirjeldamisel. Suuremad objektid ei näita tavaliselt kvantkäitumist, nagu takerdumine ja superpositsioon. Seda saab seletada kvantdekoherentsiga, mis tekib siis, kui õrnad kvantolekud interakteeruvad mürarikaste keskkondadega. See põhjustab makroskoopiliste süsteemide käitumist vastavalt klassikalisele füüsikale.

See, kuidas kvantmehaanika makroskoopilistel skaalal laguneb, pole mitte ainult teoreetiliselt põnev, vaid ka otsustava tähtsusega katsetes välja töötada teooria, mis sobitab kvantmehaanika Albert Einsteini üldise relatiivsusteooriaga. Füüsikud soovivad seetõttu jälgida kvantkäitumist üha suuremates objektides.

Tohutu väljakutse

Makroskoopiliste kvantolekute loomine ja nende säilitamine piisavalt kaua, et jälgida nende kvantkäitumist, on tohutu väljakutse, kui käsitleda objekte, mis on palju suuremad kui lõksus hoitavad aatomid või molekulid. Tõepoolest valiti vibreerivate makroskoopiliste trumlipeade (igaüks 10 mikronit suurune) kvantpõimumine kahe sõltumatu rühma – üks USA-s ja teine ​​Soomes – vahel. Füüsika maailm aasta läbimurre 2021 meeskondade katseoskuse eest.

Uus protokoll on inspireeritud Leggett-Gargi ebavõrdsusest. See on Belli ebavõrdsuse modifikatsioon, mis hindab, kas kaks objekti on nende olekute mõõtmiste vahelisest korrelatsioonist kvantmehaaniliselt takerdunud. Kui Belli ebavõrdsust rikutakse, on mõõtmised korrelatsioonis nii hästi, et kui nende olekud oleksid olnud sõltumatud, oleks teave pidanud liikuma objektide vahel valgusest kiiremini. Kuna superluminaalset suhtlust peetakse võimatuks, tõlgendatakse rikkumist kvantpõimumise tõendina.

Leggett-Gargi ebavõrdsus rakendab sama põhimõtet sama objekti järjestikuste mõõtmiste puhul. Esmalt mõõdetakse objekti omadust viisil, mis – kui tegemist on klassikalise (mitte-kvant)objektiga – on mitteinvasiivne. Hiljem tehakse teine ​​mõõtmine. Kui objekt on klassikaline üksus, siis esimene mõõtmine ei muuda teise mõõtmise tulemust. Kui aga objekt on määratletud kvantlainefunktsiooniga, häirib seda mõõtmise toiming. Selle tulemusena võivad järjestikuste mõõtmiste vahelised korrelatsioonid paljastada, kas objekt järgib klassikalist või kvantmehaanikat.

Võnkuv nanokristall

2018. aastal teoreetiline füüsik Sougato Bose Londoni ülikooli kolledžis ja tema kolleegid tegid ettepaneku teha selline katse jahutatud nanokristalliga, mis võngub optilises harmoonilises lõksus edasi-tagasi. Nanokristalli asukoht määratakse kindlaks valguskiire fokuseerimisega lõksu ühele küljele. Kui valgus läbib ilma hajumiseta, on objekt lõksu teisel küljel. Jälgides hiljem lõksu sama külge, saab arvutada, kas Leggett-Gargi ebavõrdsust rikutakse või mitte. Kui see nii on, oleks objekti esialgne tuvastamata jätmine häirinud selle kvantolekut ja seetõttu oleks nanokristallil kvantkäitumine.

Bose sõnul on probleem selles, et massi tuleb mõõta püünise samal küljel kaks korda. See on elujõuline ainult lühikeste võnkeperioodidega masside puhul, kuna kvantolek peab jääma kogu mõõtmise ajal sidusaks. Suurtel huvipakkuvatel massidel on aga perioodid, mis on selle toimimiseks liiga pikad. Nüüd teevad Bose ja kolleegid ettepaneku teha teine ​​mõõtmine kohas, kuhu objekt on klassikalise mehaanika järgimise korral eeldatavasti jõudnud.

"Palju parem on minna kohta, kuhu see tavalise võnkumise tõttu läheks, ja uurida, kui palju see selle kohaga erineb," ütleb Bose.

Selle skeemi eeliseks on see, et seni, kuni objekt püsib koherentses olekus, peaks olema võimalik katset teha mis tahes massiga objektidega, kuna alati on võimalik arvutada klassikalise harmoonilise ostsillaatori eeldatav asukoht. Suuremate objektide eraldamine muutub raskemaks, kuid Bose usub, et need ilmselt klassikalised olekud oleksid müra suhtes vastupidavamad kui eksootilised makroskoopilised kvantseisundid, näiteks superpositsioonid.

Jälgimissüsteemi evolutsioon

Kvantfüüsik Vlatko Vedral Oxfordi ülikoolist nõustub, et teadlaste lähenemisviis võib pakkuda eeliseid võrreldes katsetega, mis üritavad kasutada ruumiliselt eraldatud makroskoopilisi kvantolekuid. Ta ütleb siiski, et "nende mõõtmiste puhul ei saa oluliseks mitte niivõrd algseisund, vaid teie tehtud mõõtmiste jada" ja et süsteemi arengu jälgimine pärast esimest mõõtmist, et korrelatsioonid selguksid, "ei ole". üldse tühine probleem”.

Kuidas mõõta kvantkäitumist nanokristallides

Samuti on ta skeptiline massilise iseseisvuse väite suhtes. "Ma ei tea praktikas, kui lihtne on seda saavutada," ütleb ta, "aga see on lihtsalt korrelatsioonis suurusega, sest mida rohkem alamsüsteeme teil on, seda rohkem lekete keskkonda."

Tony Leggett (kes arendas ebavõrdsust 1980. aastatel koos Anupam Gargiga) on kvantmehaanika aluste ekspert, kes jagas 2003. aasta Nobeli preemiat ülijuhtivuse ja ülivedelike alase töö eest. Nüüd Illinoisi ülikooli emeriitprofessorina näeb ta Bose'i ja kolleegide tööga seoses teist probleemi. "On väga selge, et need teadlased on veendunud, et kvantmehaanika jätkab tööd - ma pole nii kindel," ütleb ta.

Leggett märgib siiski, et tõendeid kvantmehaanika lagunemise kohta tõlgendaks enamik füüsikakogukonnast dekoherentsi tulemusel, mille võib põhjustada invasiivne mõõtmine. Erinevalt teadaolevate olekutega tehtud katsetest, milles ta on osalenud, ütleb ta, et Bose ja tema kolleegid ei paku vahendeid, et testida, kui invasiivne on nende mõõtmine, kasutades näiteks sama mõõtmisprotokolli erinevatel olekute komplektidel.

Uuringut kirjeldatakse artiklis, mis on avaldamiseks vastu võetud Physical Review Letters. A eeltrükk on saadaval arXiv.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/