A protokoll megkönnyítheti a nagy objektumok kvantumtermészetének tesztelését – Physics World

Az Egyesült Királyságban és Indiában kutatók javasoltak egy protokollt a nagyméretű objektumok kvantumtermészetének tesztelésére – amely elvileg bármilyen tömegű objektumok esetében működhet. A protokoll egyik legfontosabb jellemzője, hogy megkerüli a makroszkopikus kvantumállapot létrehozásának szükségességét annak tesztelésére, hogy a kvantummechanika érvényes-e nagy léptékben. Egyes fizikusok azonban nincsenek meggyőződve arról, hogy a kutatás jelentős előrelépést jelent.

A kvantummechanika fantasztikus munkát végez az atomok, molekulák és szubatomi részecskék, például az elektronok leírásában. A nagyobb objektumok azonban általában nem mutatnak kvantum viselkedést, például összefonódást és szuperpozíciót. Ez a kvantumdekoherenciával magyarázható, amely akkor fordul elő, amikor a finom kvantumállapotok kölcsönhatásba lépnek zajos környezetekkel. Emiatt a makroszkopikus rendszerek a klasszikus fizika szerint viselkednek.

A kvantummechanika makroszkopikus léptékben való összeomlása nemcsak elméletileg lenyűgöző, hanem kulcsfontosságú egy olyan elmélet kidolgozása során is, amely összeegyezteti a kvantummechanikát Albert Einstein általános relativitáselméletével. A fizikusok ezért szívesen megfigyelik a kvantum viselkedését egyre nagyobb objektumokban.

Félelmetes kihívás

A makroszkopikus kvantumállapotok létrehozása és a kvantumviselkedésük megfigyeléséhez elég hosszú ideig tartó megőrzése óriási kihívás, ha a csapdában tartott atomoknál vagy molekuláknál sokkal nagyobb tárgyakkal kell foglalkozni. Valójában a vibráló makroszkopikus dobfejek (egyenként 10 mikronos méretű) két független csoport – egy az Egyesült Államokban és egy Finnországban – általi kvantumösszefonódását választották. A fizika világa a 2021-es év áttörése a csapatok kísérletező képességéért.

Az új protokollt a Leggett-Garg egyenlőtlenség ihlette. Ez a Bell-egyenlőtlenség egy módosítása, amely felméri, hogy két objektum kvantummechanikailag összefonódik-e az állapotok mérései közötti korrelációból. Ha a Bell-egyenlőtlenség megsérül, a mérések olyan jól korrelálnak, hogy ha állapotuk független, az információnak gyorsabban kellett volna haladnia a fénynél az objektumok között. Mivel a szuperluminális kommunikációt lehetetlennek tartják, a jogsértést a kvantumösszefonódás bizonyítékaként értelmezik.

A Leggett-Garg egyenlőtlenség ugyanazt az elvet alkalmazza ugyanazon objektum szekvenciális mérésére. Az objektum egy tulajdonságát először úgy mérjük meg, hogy – ha klasszikus (nem kvantum) objektumról van szó – nem invazív. Később újabb mérés történik. Ha az objektum klasszikus entitás, akkor az első mérés nem változtatja meg a második mérés eredményét. Ha azonban az objektumot egy kvantumhullámfüggvény határozza meg, akkor maga a mérési aktus zavarja meg. Ennek eredményeként az egymást követő mérések közötti összefüggések feltárhatják, hogy az objektum a klasszikus vagy a kvantummechanikának engedelmeskedik.

Oszcilláló nanokristály

2018-ban az elméleti fizikus Sougato Bose a University College London és munkatársai javasolták egy ilyen teszt elvégzését egy hűtött nanokristályon, amely ide-oda oszcillál egy optikai harmonikus csapdában. A nanokristály helyzetét úgy határoznák meg, hogy egy fénysugarat egy csapda egyik oldalára fókuszálnak. Ha a fény szóródás nélkül halad át, akkor a tárgy a csapda másik oldalán van. A csapda ugyanazon oldalának későbbi megfigyelésével kiszámítható, hogy a Leggett-Garg egyenlőtlenség sérül-e vagy sem. Ha igen, az objektum kezdeti nem észlelése megzavarta volna annak kvantumállapotát, és ezért a nanokristály kvantumviselkedést mutatna.

Bose szerint a probléma az, hogy a tömeget kétszer kell megmérni a csapda ugyanazon oldalán. Ez csak a rövid oszcillációs periódusú tömegeknél életképes, mivel a kvantumállapotnak koherensnek kell maradnia a mérés során. Nagy érdeklődési körökben azonban túl hosszúak az időszakok ahhoz, hogy ez működjön. Most Bose és munkatársai azt javasolják, hogy a második mérést olyan helyen végezzék el, ahová, ha a tárgy a klasszikus mechanikának engedelmeskedik, várhatóan elérte.

„Sokkal jobb, ha arra a helyre megyünk, ahová a normál oszcillációja miatt menne, és megtudjuk, mennyiben különbözik attól a helytől” – mondja Bose.

Ennek a sémának az az előnye, hogy mindaddig, amíg az objektum koherens állapotban marad, a kísérletet tetszőleges tömegű objektumokkal lehet elvégezni, mivel mindig ki lehet számítani a klasszikus harmonikus oszcillátor várható helyzetét. Nehezebbé válik a nagyobb objektumok elkülönítése, de Bose úgy véli, ezek a látszólag klasszikus állapotok robusztusabbak lennének a zajra, mint az egzotikus makroszkopikus kvantumállapotok, például a szuperpozíciók.

Nyomon követési rendszer evolúciója

Kvantumfizikus Vlatko Vedral Az Oxfordi Egyetem munkatársa egyetért azzal, hogy a kutatók megközelítése előnyökkel járhat a térben elválasztott makroszkopikus kvantumállapotok alkalmazására irányuló kísérletekkel szemben. Azt mondja azonban, hogy „ezekben a mérésekben nem annyira a kezdeti állapot válik fontossá, hanem a mérések sorrendje”, és a rendszer fejlődésének nyomon követése az első mérés után, hogy az összefüggések feltáruljanak, „nem az. egyáltalán triviális probléma”.

Hogyan mérjük a kvantumviselkedést nanokristályokban

Szkeptikus a tömeges függetlenség igényével kapcsolatban is. „Nem tudom, hogy a gyakorlatban mennyire könnyű ezt elérni – mondja –, de egyszerűen a mérettel van összefüggésben, mert minél több alrendszerrel rendelkezik, annál nagyobb a szivárgás a környezetbe.”

Tony Leggett (aki az 1980-as években Anupam Garggal közösen kidolgozta az egyenlőtlenséget) a kvantummechanika alapjainak szakértője, aki 2003-ban megosztotta a Nobel-díjat a szupravezetéssel és a szuperfolyadékokkal kapcsolatos munkájáért. Most az Illinoisi Egyetem emeritus professzoraként egy másik problémát lát Bose és munkatársai munkájában. „Nagyon világos, hogy ezek a kutatók meg vannak győződve arról, hogy a kvantummechanika tovább fog működni – nem vagyok annyira magabiztos” – mondja.

Leggett azonban megjegyzi, hogy a kvantummechanika összeomlásának bizonyítékát a legtöbb fizikus közösség a dekoherencia eredményeként értelmezné – amit egy invazív mérés okozhat. Ellentétben az ismert állapotokon végzett kísérletekkel – amelyekben ő is részt vett – azt mondja, hogy Bose és munkatársai nem mutatnak be olyan módszert, amellyel teszteljék, mennyire invazív a mérésük, például ugyanazt a mérési protokollt használva egy másik halmazon.

A kutatás leírása egy dokumentumban található, amelyet publikálásra elfogadtak Fizikai áttekintés betűk. A előnyomtatás elérhető arXiv.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/