פרוטוקול יכול להקל על בדיקת הטבע הקוונטי של עצמים גדולים - עולם הפיזיקה

פרוטוקול לבדיקת הטבע הקוונטי של עצמים גדולים - שבאופן עקרוני, יכול לעבוד עבור עצמים בכל מסה - הוצע על ידי חוקרים בבריטניה ובהודו. תכונה מרכזית של הפרוטוקול היא שעוקפת את הצורך ליצור מצב קוונטי מקרוסקופי כדי לבדוק אם מכניקת הקוונטים תקפה בקנה מידה גדול או לא. עם זאת, חלק מהפיזיקאים אינם משוכנעים שהמחקר מהווה התקדמות משמעותית.

מכניקת הקוונטים עושה עבודה נפלאה בתיאור אטומים, מולקולות וחלקיקים תת-אטומיים כמו אלקטרונים. עם זאת, אובייקטים גדולים יותר בדרך כלל אינם מציגים התנהגות קוונטית כגון הסתבכות וסופרפוזיציה. ניתן להסביר זאת במונחים של דה-קוהרנטיות קוונטית, המתרחשת כאשר מצבים קוונטיים עדינים מקיימים אינטראקציה עם סביבות רועשות. זה גורם למערכות מקרוסקופיות להתנהג לפי הפיזיקה הקלאסית.

האופן שבו מכניקת הקוונטים מתפרקת בקנה מידה מקרוסקופי הוא לא רק מרתק מבחינה תיאורטית אלא גם חיוני לניסיונות לפתח תיאוריה המיישמת את מכניקת הקוונטים עם תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין. לפיכך, פיזיקאים להוטים לצפות בהתנהגות קוונטית בעצמים גדולים יותר ויותר.

אתגר אדיר

יצירת מצבים קוונטיים מקרוסקופיים ושימורם מספיק זמן כדי לצפות בהתנהגות הקוונטית שלהם הוא אתגר אדיר כאשר מתמודדים עם עצמים גדולים בהרבה מאטומים או מולקולות המוחזקים במלכודת. ואכן, ההסתבכות הקוונטית של ראשי תופים מקרוסקופיים רוטטות (כל אחד בגודל 10 מיקרון) על ידי שתי קבוצות עצמאיות - אחת בארה"ב ואחת בפינלנד - נבחרה בתור עולם הפיזיקה פריצת הדרך של שנת 2021 לכושר הניסוי של הצוותים.

הפרוטוקול החדש נוצר בהשראת אי השוויון של Leggett-Garg. זהו שינוי של אי השוויון של בל, אשר מעריך האם שני עצמים מסובכים קוונטית-מכנית מהמתאם בין מדידות המצבים שלהם. אם אי השוויון של בל מופר, המדידות מתואמות כל כך טוב, שאם המצבים שלהן היו עצמאיים, המידע היה צריך לנוע מהר יותר מהאור בין העצמים. מכיוון שתקשורת על-לומינלית נחשבת בלתי אפשרית, הפרה מתפרשת כעדות להסתבכות קוונטית.

אי-השוויון של Leggett-Garg מחיל את אותו עיקרון על מדידות עוקבות של אותו אובייקט. תכונה של האובייקט נמדדת תחילה בצורה שבה - אם הוא אובייקט קלאסי (לא קוונטי) - אינו פולשני. בהמשך מתבצעת מדידה נוספת. אם האובייקט הוא ישות קלאסית, אז המדידה הראשונה לא משנה את התוצאה של המדידה השנייה. עם זאת, אם האובייקט מוגדר על ידי פונקציית גל קוונטית, עצם המדידה תפריע לו. כתוצאה מכך, קורלציות בין מדידות עוקבות יכולות לחשוף אם האובייקט מציית למכניקה הקלאסית או הקוונטית.

ננו-גביש מתנודד

בשנת 2018, הפיזיקאי התיאורטי סוגאטה בוס באוניברסיטת קולג' בלונדון ועמיתיו הציעו לעשות בדיקה כזו על ננו-גביש מקורר שמתנדנד קדימה ואחורה במלכודת הרמונית אופטית. מיקומו של הננו-גביש ייקבע על ידי מיקוד קרן אור בצד אחד של מלכודת. אם האור עובר ללא פיזור, החפץ נמצא בצד השני של המלכודת. על ידי התבוננות באותו צד של המלכודת מאוחר יותר, אפשר לחשב אם אי השוויון של לגט-גרג מופר או לא. אם כן, אי זיהוי ראשוני של העצם היה מפריע למצב הקוונטי שלו, ולכן הננו-גביש יציג התנהגות קוונטית.

הבעיה, אומר בוס, היא שיש למדוד את המסה באותו צד של המלכודת פעמיים. זה אפשרי רק עבור מסות עם תקופות קצרות של תנודה מכיוון שהמצב הקוונטי חייב להישאר קוהרנטי לאורך כל המדידה. עם זאת, להמונים גדולים של עניין יהיו תקופות ארוכות מדי מכדי שזה יעבוד. כעת, Bose ועמיתיו מציעים שהמדידה השנייה תתבצע במיקום שאם האובייקט יציית למכניקה הקלאסית, הוא צפוי להגיע אליו.

"הרבה יותר טוב ללכת למקום שאליו זה ילך בגלל התנודה הרגילה שלו ולגלות כמה זה שונה לגבי המקום הזה", אומר Bose.

היתרון של תכנית זו הוא שכל עוד האובייקט נשאר במצב קוהרנטי, זה אמור להיות אפשרי לעשות את הניסוי עבור אובייקטים בכל מסה שכן תמיד ניתן לחשב את המיקום הצפוי של מתנד הרמוני קלאסי. זה הופך להיות קשה יותר לבודד אובייקטים גדולים יותר, אבל Bose מאמין שהמצבים הקלאסיים האלה יהיו חזקים יותר לרעש מאשר מצבים קוונטיים מקרוסקופיים אקזוטיים כמו סופרפוזיציות.

מעקב אחר התפתחות מערכת

פיזיקאי קוונטים ולטקו וודראל מאוניברסיטת אוקספורד מסכים שגישת החוקרים יכולה להציע יתרונות על פני ניסויים המנסים להשתמש במצבים קוונטיים מקרוסקופיים מופרדים במרחב. עם זאת, הוא אומר ש"מה שהופך להיות חשוב במדידות האלה הוא לא כל כך המצב ההתחלתי אלא רצף המדידות שאתה מבצע", ושמעקב אחר התפתחות המערכת לאחר המדידה הראשונה כך שהמתאמים יתגלו "אינו בעיה טריוויאלית בכלל".

כיצד למדוד התנהגות קוונטית בננו-גבישים

הוא גם סקפטי לגבי הטענה של עצמאות המונית. "אני לא יודע בפועל כמה קל להשיג את זה", הוא אומר, "אבל זה פשוט בקורלציה לגודל, כי ככל שיש לך יותר תת-מערכות כך תהיה לך יותר דליפה לסביבה".

טוני לגט (שפיתח יחד עם אנופאם גארג את אי השוויון בשנות השמונים) הוא מומחה ביסודות מכניקת הקוונטים שחלק את פרס נובל לשנת 1980 על עבודתו בנושא מוליכות-על ונוזלי-על. כעת, פרופסור אמריטוס באוניברסיטת אילינוי, הוא רואה בעיה נוספת עם עבודתם של Bose ועמיתיו. "ברור מאוד שהחוקרים האלה משוכנעים שמכניקת הקוונטים תמשיך לעבוד - אני לא כל כך בטוח", הוא אומר.

לגט מציין, עם זאת, שראיות להתמוטטות מכניקת הקוונטים יתפרשו על ידי רוב בקהילת הפיזיקה כתוצאה של דה-קוהרנטיות - שעלולה להיגרם על ידי מדידה פולשנית. בניגוד לניסויים על מצבים ידועים - שהוא היה חלק מהם - הוא אומר שבוז ועמיתיו אינם מציגים אמצעי לבדוק עד כמה המדידה שלהם פולשנית על ידי, למשל, שימוש באותו פרוטוקול מדידה על סט שונה של מצבים.

המחקר מתואר במאמר שהתקבל לפרסום ב מכתבי סקירה פיזית. A הדפסה מוקדמת זמינה ב- arXiv.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/