Protokół może ułatwić badanie natury kwantowej dużych obiektów – Physics World

Naukowcy z Wielkiej Brytanii i Indii zaproponowali protokół badania kwantowej natury dużych obiektów, który w zasadzie mógłby działać w przypadku obiektów o dowolnej masie. Kluczową cechą protokołu jest to, że omija potrzebę tworzenia makroskopowego stanu kwantowego w celu sprawdzenia, czy mechanika kwantowa sprawdza się w dużych skalach. Część fizyków nie jest jednak przekonana, że ​​badania te stanowią znaczący postęp.

Mechanika kwantowa wykonuje fantastyczną robotę, opisując atomy, cząsteczki i cząstki subatomowe, takie jak elektrony. Jednak większe obiekty zwykle nie wykazują zachowań kwantowych, takich jak splątanie i superpozycja. Można to wyjaśnić w kategoriach dekoherencji kwantowej, która występuje, gdy delikatne stany kwantowe oddziałują z hałaśliwym środowiskiem. Powoduje to, że układy makroskopowe zachowują się zgodnie z fizyką klasyczną.

Sposób, w jaki mechanika kwantowa załamuje się w skalach makroskopowych, jest nie tylko fascynujący teoretycznie, ale także kluczowy dla prób opracowania teorii godzącej mechanikę kwantową z ogólną teorią względności Alberta Einsteina. Dlatego fizycy chętnie obserwują zachowania kwantowe w coraz większych obiektach.

Potężne wyzwanie

Tworzenie makroskopowych stanów kwantowych i przechowywanie ich wystarczająco długo, aby zaobserwować ich zachowanie kwantowe, stanowi ogromne wyzwanie w przypadku obiektów znacznie większych niż atomy lub cząsteczki trzymane w pułapce. Rzeczywiście, splątanie kwantowe wibrujących makroskopowych naciągów bębnów (każdy o rozmiarze 10 mikronów) przez dwie niezależne grupy – jedną w USA i jedną w Finlandii – zostało wybrane jako Fizyka Świata przełom roku 2021 za sprawność eksperymentalną zespołów.

Nowy protokół jest inspirowany nierównością Leggetta-Garga. Jest to modyfikacja nierówności Bella, która ocenia, czy dwa obiekty są splątane mechanicznie kwantowo na podstawie korelacji między pomiarami ich stanów. W przypadku naruszenia nierówności Bella pomiary są tak dobrze skorelowane, że gdyby ich stany były niezależne, informacja musiałaby przemieszczać się pomiędzy obiektami szybciej niż światło. Ponieważ uważa się, że komunikacja nadświetlna jest niemożliwa, naruszenie jest interpretowane jako dowód na splątanie kwantowe.

Nierówność Leggetta-Garga dotyczy tej samej zasady dla kolejnych pomiarów tego samego obiektu. Właściwość obiektu mierzona jest najpierw w sposób, który – jeśli jest to obiekt klasyczny (niekwantowy) – jest nieinwazyjny. Później dokonuje się kolejnego pomiaru. Jeżeli obiekt jest obiektem klasycznym, wówczas pierwszy pomiar nie zmienia wyniku drugiego pomiaru. Jeśli jednak obiekt jest zdefiniowany przez kwantową funkcję falową, to już sam akt pomiaru go zaburzy. W rezultacie korelacje pomiędzy kolejnymi pomiarami mogą ujawnić, czy obiekt podlega mechanice klasycznej czy kwantowej.

Oscylujący nanokryształ

W 2018 roku fizyk teoretyczny Sougato Bose z University College London wraz ze współpracownikami zaproponowali wykonanie takiego testu na schłodzonym nanokrysztale, który oscyluje tam i z powrotem w optycznej pułapce harmonicznej. Położenie nanokryształu można określić poprzez skupienie wiązki światła po jednej stronie pułapki. Jeśli światło przechodzi bez rozproszenia, obiekt znajduje się po drugiej stronie pułapki. Obserwując później tę samą stronę pułapki, można obliczyć, czy nierówność Leggetta-Garga została naruszona, czy nie. Jeżeli tak jest, początkowy brak wykrycia obiektu zakłóciłby jego stan kwantowy i dlatego nanokryształ wykazywałby zachowanie kwantowe.

Problem polega na tym, twierdzi Bose, że masę należy mierzyć dwukrotnie po tej samej stronie pułapki. Jest to wykonalne tylko w przypadku mas o krótkich okresach oscylacji, ponieważ stan kwantowy musi pozostać spójny przez cały czas pomiaru. Jednak w przypadku dużych mas zainteresowanych okresy będą zbyt długie, aby to zadziałało. Teraz Bose i współpracownicy proponują, aby drugi pomiar został wykonany w miejscu, które – jeśli obiekt podlega mechanice klasycznej – ma osiągnąć.

„Znacznie lepiej jest udać się do miejsca, do którego zmierzałby ze względu na normalne oscylacje, i przekonać się, jak bardzo różni się ono w tym miejscu” – mówi Bose.

Zaletą tego schematu jest to, że dopóki obiekt pozostaje w stanie spójnym, powinno być możliwe przeprowadzenie eksperymentu dla obiektów o dowolnej masie, ponieważ zawsze można obliczyć oczekiwane położenie klasycznego oscylatora harmonicznego. Wyizolowanie większego obiektu staje się trudniejsze, ale Bose uważa, że ​​te pozornie klasyczne stany byłyby bardziej odporne na szum niż egzotyczne makroskopowe stany kwantowe, takie jak superpozycje.

Śledzenie ewolucji systemu

Fizyk kwantowy Vlatko Vedral z Uniwersytetu Oksfordzkiego zgadza się, że podejście badaczy mogłoby przynieść korzyści w porównaniu z eksperymentami próbującymi wykorzystać przestrzennie oddzielone makroskopowe stany kwantowe. Mówi jednak, że „w tych pomiarach ważny staje się nie tyle stan początkowy, ile kolejność dokonywanych pomiarów” oraz że śledzenie ewolucji układu po pierwszym pomiarze, aby ujawnić korelacje, „nie jest w ogóle trywialny problem”.

Jak mierzyć zachowanie kwantowe w nanokryształach

Jest także sceptyczny wobec twierdzeń o niepodległości mas. „Nie wiem, jak łatwo to osiągnąć w praktyce” – mówi – „ale jest to po prostu skorelowane z rozmiarem, ponieważ im więcej masz podsystemów, tym więcej będziesz miał wycieków do środowiska”.

Tony’ego Leggetta (który w latach 1980. współtworzył nierówność wraz z Anupamem Gargiem) jest ekspertem w dziedzinie podstaw mechaniki kwantowej, laureatem Nagrody Nobla w 2003 r. za prace nad nadprzewodnictwem i nadcieczami. Obecnie, jako emerytowany profesor na Uniwersytecie Illinois, widzi inny problem w pracy Bose’a i współpracowników. „Jest bardzo jasne, że ci badacze są przekonani, że mechanika kwantowa będzie nadal działać – nie jestem tego taki pewien” – mówi.

Leggett zauważa jednak, że większość fizyków zinterpretowałaby dowody na załamanie mechaniki kwantowej jako wynik dekoherencji – która może być spowodowana inwazyjnym pomiarem. W przeciwieństwie do eksperymentów na znanych stanach – w których brał udział – twierdzi, że Bose i jego współpracownicy nie przedstawiają sposobu sprawdzania inwazyjności ich pomiarów, na przykład poprzez użycie tego samego protokołu pomiarowego dla innego zestawu stanów.

Badania zostały opisane w pracy, która została zaakceptowana do publikacji w Physical Review Letters. A Preprint jest dostępny na arXiv.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/