Protocolul ar putea facilita testarea naturii cuantice a obiectelor mari – Physics World

Un protocol pentru testarea naturii cuantice a obiectelor mari – care, în principiu, ar putea funcționa pentru obiecte de orice masă – a fost propus de cercetători din Marea Britanie și India. O caracteristică cheie a protocolului este că eludează nevoia de a crea o stare cuantică macroscopică pentru a testa dacă mecanica cuantică este sau nu validă la scară largă. Unii fizicieni, însă, nu sunt convinși că cercetarea constituie un progres semnificativ.

Mecanica cuantică face o treabă fantastică de a descrie atomii, moleculele și particulele subatomice precum electronii. Cu toate acestea, obiectele mai mari nu prezintă, de obicei, un comportament cuantic, cum ar fi încâlcirea și suprapunerea. Acest lucru poate fi explicat în termeni de decoerență cuantică, care apare atunci când stările cuantice delicate interacționează cu mediile zgomotoase. Acest lucru face ca sistemele macroscopice să se comporte conform fizicii clasice.

Modul în care mecanica cuantică se defectează la scară macroscopică nu este doar fascinant din punct de vedere teoretic, ci și crucial pentru încercările de a dezvolta o teorie care să reconcilieze mecanica cuantică cu teoria generală a relativității a lui Albert Einstein. Prin urmare, fizicienii sunt dornici să observe comportamentul cuantic în obiecte din ce în ce mai mari.

Provocare formidabilă

Crearea stărilor cuantice macroscopice și păstrarea lor suficient de mult pentru a observa comportamentul lor cuantic este o provocare formidabilă atunci când aveți de-a face cu obiecte mult mai mari decât atomii sau moleculele ținute într-o capcană. Într-adevăr, încrucișarea cuantică a tobelor de tobe macroscopice vibrante (fiecare cu dimensiunea de 10 microni) de către două grupuri independente – unul în SUA și unul în Finlanda – a fost aleasă ca Lumea Fizicii descoperire a anului 2021 pentru priceperea experimentală a echipelor.

Noul protocol este inspirat de inegalitatea Leggett-Garg. Aceasta este o modificare a inegalității lui Bell, care evaluează dacă două obiecte sunt încurcate mecanic cuantic din corelația dintre măsurătorile stărilor lor. Dacă inegalitatea lui Bell este încălcată, măsurătorile sunt corelate atât de bine încât, dacă stările lor ar fi independente, informațiile ar fi trebuit să călătorească mai repede decât lumina între obiecte. Deoarece se crede că comunicarea superluminală este imposibilă, o încălcare este interpretată ca o dovadă a încurcăturii cuantice.

Inegalitatea Leggett-Garg aplică același principiu măsurătorilor secvențiale ale aceluiași obiect. O proprietate a obiectului este mai întâi măsurată într-un mod care – dacă este un obiect clasic (non-cuantic) – este neinvaziv. Ulterior, se face o altă măsurătoare. Dacă obiectul este o entitate clasică, atunci prima măsurătoare nu modifică rezultatul celei de-a doua măsurători. Cu toate acestea, dacă obiectul este definit de o funcție de undă cuantică, însuși actul de măsurare îl va perturba. Ca rezultat, corelațiile dintre măsurători succesive pot dezvălui dacă obiectul se supune mecanicii clasice sau cuantice.

Nanocristal oscilant

În 2018, fizicianul teoretician Sougato Bose de la University College London și colegii au propus să facă un astfel de test pe un nanocristal răcit care oscilează înainte și înapoi într-o capcană armonică optică. Poziția nanocristalului ar fi determinată prin focalizarea unui fascicul de lumină pe o parte a unei capcane. Dacă lumina trece fără să se împrăștie, obiectul se află în cealaltă parte a capcanei. Observând mai târziu aceeași parte a capcanei, se poate calcula dacă inegalitatea Leggett-Garg este sau nu încălcată. Dacă este, o nedetectare inițială a obiectului i-ar fi perturbat starea cuantică și, prin urmare, nanocristalul ar prezenta un comportament cuantic.

Problema, spune Bose, este că masa trebuie măsurată în aceeași parte a capcanei de două ori. Acest lucru este viabil doar pentru mase cu perioade scurte de oscilație, deoarece starea cuantică trebuie să rămână coerentă pe toată durata măsurării. Cu toate acestea, mase mari de interes vor avea perioade prea lungi pentru ca acest lucru să funcționeze. Acum, Bose și colegii săi propun ca a doua măsurătoare să fie făcută într-o locație la care, dacă obiectul se supune mecanicii clasice, este de așteptat să fi ajuns.

„Este mult mai bine să mergi în locul în care ar merge datorită oscilației sale normale și să afli cât de mult diferă la acel loc”, spune Bose.

Avantajul acestei scheme este că, atâta timp cât obiectul rămâne într-o stare coerentă, ar trebui să fie posibil să se facă experimentul pentru obiecte de orice masă, deoarece este întotdeauna posibil să se calculeze poziția așteptată a unui oscilator armonic clasic. Devine mai dificil să izolați un obiect mai mare, dar Bose crede că aceste stări aparent clasice ar fi mai rezistente la zgomot decât stările cuantice macroscopice exotice, cum ar fi suprapozițiile.

Urmărirea evoluției sistemului

Fizician cuantic Vlatko Vedral de la Universitatea din Oxford este de acord că abordarea cercetătorilor ar putea oferi beneficii față de experimentele care încearcă să folosească stări cuantice macroscopice separate spațial. Cu toate acestea, el spune că „ceea ce devine important în aceste măsurători nu este atât starea inițială, ci secvența măsurătorilor pe care le faceți” și că urmărirea evoluției sistemului după prima măsurare, astfel încât corelațiile să fie dezvăluite „nu este o problemă deloc banală”.

Cum se măsoară comportamentul cuantic în nanocristale

El este, de asemenea, sceptic cu privire la revendicarea independenței în masă. „Nu știu în practică cât de ușor este de realizat”, spune el, „dar este pur și simplu corelat cu dimensiunea, deoarece cu cât ai mai multe subsisteme, cu atât vei avea mai multe scurgeri în mediu.”

Tony Leggett (care a co-dezvoltat inegalitatea în anii 1980 cu Anupam Garg) este un expert în fundamentele mecanicii cuantice care a împărtășit Premiul Nobel în 2003 pentru munca sa privind supraconductivitate și superfluide. Acum, profesor emerit la Universitatea din Illinois, vede o altă problemă cu munca lui Bose și a colegilor. „Este foarte clar că acești cercetători sunt convinși că mecanica cuantică va continua să funcționeze – nu sunt atât de încrezător”, spune el.

Leggett notează, totuși, că dovezile pentru defalcarea mecanicii cuantice ar fi interpretate de majoritatea din comunitatea fizicii ca rezultat al decoerenței - care ar putea fi cauzată de o măsurătoare invazivă. Spre deosebire de experimentele pe stări cunoscute – din care a făcut parte – el spune că Bose și colegii nu prezintă un mijloc de a testa cât de invazivă este măsurarea lor, de exemplu, folosind același protocol de măsurare pe un set diferit de stări.

Cercetarea este descrisă într-o lucrare care a fost acceptată pentru publicare în Scrisori de recenzie fizică. A preprint este disponibil pe arXiv.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/