Protokolla voisi helpottaa suurten objektien kvanttiluonteen testaamista – Physics World

Iso-Britannian ja Intian tutkijat ovat ehdottaneet protokollaa suurten esineiden kvanttiluonteen testaamiseksi – joka periaatteessa voisi toimia minkä tahansa massaisten esineiden kanssa. Protokollan keskeinen piirre on se, että se kiertää tarpeen luoda makroskooppinen kvanttitila sen testaamiseksi, onko kvanttimekaniikka pätevä suurissa mittakaavassa. Jotkut fyysikot eivät kuitenkaan ole vakuuttuneita siitä, että tutkimus on merkittävä edistysaskel.

Kvanttimekaniikka tekee fantastisen työn kuvaillessaan atomeja, molekyylejä ja subatomisia hiukkasia, kuten elektroneja. Suuremmat esineet eivät kuitenkaan yleensä näytä kvanttikäyttäytymistä, kuten takertumista ja superpositiota. Tämä voidaan selittää kvanttidekoherenssilla, joka tapahtuu, kun herkät kvanttitilat ovat vuorovaikutuksessa meluisten ympäristöjen kanssa. Tämä saa makroskooppiset järjestelmät käyttäytymään klassisen fysiikan mukaisesti.

Se, miten kvanttimekaniikka hajoaa makroskooppisessa mittakaavassa, ei ole vain teoreettisesti kiehtovaa, vaan myös ratkaisevaa yrityksissä kehittää teoriaa, joka sovittaa kvanttimekaniikan Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian kanssa. Fyysikot ovat siksi innokkaita tarkkailemaan kvanttikäyttäytymistä yhä suuremmissa kohteissa.

Valtava haaste

Makroskooppisten kvanttitilojen luominen ja niiden säilyttäminen riittävän pitkään niiden kvanttikäyttäytymisen tarkkailemiseksi on valtava haaste, kun käsitellään kohteita, jotka ovat paljon suurempia kuin ansassa olevat atomit tai molekyylit. Itse asiassa kahden riippumattoman ryhmän – yksi Yhdysvalloissa ja yksi Suomessa – värähtelevien makroskooppisten rumpupäiden (kukin kooltaan 10 mikronia) kvanttikettuminen valittiin. Fysiikan maailman vuoden 2021 läpimurto joukkueiden kokeellisesta kyvystä.

Uusi protokolla on saanut inspiraationsa Leggett-Gargin epätasa-arvosta. Tämä on muunnos Bellin epäyhtälöstä, joka arvioi, ovatko kaksi objektia kvanttimekaanisesti sotkeutuneet tilojensa mittausten välisestä korrelaatiosta. Jos Bellin epätasa-arvoa rikotaan, mittaukset korreloivat niin hyvin, että jos niiden tilat olisivat riippumattomia, tiedon olisi pitänyt kulkea valoa nopeammin objektien välillä. Koska superluminaalista kommunikaatiota ajatellaan mahdottomaksi, rikkomus tulkitaan todisteeksi kvanttisekoittumisesta.

Leggett-Gargin epäyhtälö soveltaa samaa periaatetta saman kohteen peräkkäisiin mittauksiin. Objektin ominaisuus mitataan ensin tavalla, joka – jos se on klassinen (ei-kvantti) objekti – on noninvasiivinen. Myöhemmin tehdään toinen mittaus. Jos kohde on klassinen kokonaisuus, ensimmäinen mittaus ei muuta toisen mittauksen tulosta. Kuitenkin, jos kvanttiaaltofunktion määrittelemä on objekti, jo mittaustoimi häiritsee sitä. Tämän seurauksena peräkkäisten mittausten väliset korrelaatiot voivat paljastaa, noudattaako kohde klassista vai kvanttimekaniikkaa.

Värähtelevä nanokide

Vuonna 2018 teoreettinen fyysikko Sougato Bose University College London ja kollegat ehdottivat tällaisen testin tekemistä jäähdytetylle nanokiteelle, joka värähtelee edestakaisin optisessa harmonisessa ansassa. Nanokiteen sijainti määritettäisiin fokusoimalla valonsäde ansan toiselle puolelle. Jos valo kulkee läpi ilman sirontaa, esine on ansan toisella puolella. Tarkkailemalla ansan samaa puolta myöhemmin voidaan laskea, rikotaanko Leggett-Gargin epäyhtälöä vai ei. Jos näin on, kohteen ensimmäinen havaitsematta jättäminen olisi häirinnyt sen kvanttitilaa, ja siksi nanokiteellä olisi kvanttikäyttäytymistä.

Bosen mukaan ongelma on se, että massa on mitattava kahdesti samalla puolella ansaa. Tämä on mahdollista vain massoille, joilla on lyhyitä värähtelyjaksoja, koska kvanttitilan on pysyttävä koherentissa koko mittauksen ajan. Suurilla kiinnostusmassoilla on kuitenkin jaksoja, jotka ovat liian pitkiä, jotta tämä toimisi. Nyt Bose ja kollegat ehdottavat, että toinen mittaus tehdään paikassa, johon, jos esine noudattaa klassista mekaniikkaa, sen odotetaan saavuttaneen.

"On paljon parempi mennä sinne, minne se menisi normaalin värähtelynsä vuoksi, ja selvittää, kuinka paljon se eroaa kyseisestä paikasta", Bose sanoo.

Tämän kaavion etuna on, että niin kauan kuin kohde pysyy koherentissa tilassa, koe pitäisi olla mahdollista suorittaa minkä tahansa massaisille esineille, koska on aina mahdollista laskea klassisen harmonisen oskillaattorin odotettu sijainti. On vaikeampaa eristää suurempia esineitä, mutta Bose uskoo, että nämä näennäisesti klassiset tilat olisivat kestävämpiä kohinalle kuin eksoottiset makroskooppiset kvanttitilat, kuten superpositiot.

Seurantajärjestelmän kehitys

Kvanttifyysikko Vlatko-katedraali Oxfordin yliopiston tutkija on samaa mieltä siitä, että tutkijoiden lähestymistapa voisi tarjota etuja verrattuna kokeisiin, joissa yritetään käyttää spatiaalisesti erotettuja makroskooppisia kvanttitiloja. Hän kuitenkin sanoo, että "tärkeäksi näissä mittauksissa ei ole niinkään alkutila vaan suoritettujen mittausten järjestys", ja että järjestelmän kehityksen seuraaminen ensimmäisen mittauksen jälkeen korrelaatioiden paljastamiseksi "ei ole". vähäpätöinen ongelma ollenkaan."

Kuinka mitata kvanttikäyttäytymistä nanokiteissä

Hän on myös skeptinen massaitsenäisyyden vaatimuksesta. "En tiedä käytännössä, kuinka helppoa tämä on saavuttaa", hän sanoo, "mutta se yksinkertaisesti korreloi koosta, koska mitä enemmän alajärjestelmiä sinulla on, sitä enemmän vuotoja ympäristöön."

Tony Leggett (joka kehitti eriarvoisuutta 1980-luvulla yhdessä Anupam Gargin kanssa) on kvanttimekaniikan perusteiden asiantuntija, joka jakoi vuoden 2003 Nobel-palkinnon suprajohtavuutta ja supernesteitä koskevasta työstään. Nyt hän on Illinoisin yliopiston emeritusprofessori ja näkee toisen ongelman Bosen ja kollegoiden työssä. "On selvää, että nämä tutkijat ovat vakuuttuneita siitä, että kvanttimekaniikka jatkaa toimintaansa - en ole niin varma", hän sanoo.

Leggett huomauttaa kuitenkin, että todisteet kvanttimekaniikan hajoamisesta tulkittaisiin useimmat fysiikan yhteisöt dekoherenssin tulokseksi - mikä voi johtua invasiivisesta mittauksesta. Toisin kuin tunnetuilla tiloilla tehdyissä kokeissa – joihin hän on osallistunut – hän sanoo, että Bose ja kollegat eivät esitä keinoa testata, kuinka invasiivista heidän mittauksensa on esimerkiksi käyttämällä samaa mittausprotokollaa eri tilojen joukossa.

Tutkimus on kuvattu julkaisussa, joka on hyväksytty julkaistavaksi Fyysisen tarkastelun kirjaimet. A preprint on saatavilla arXiv.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/