Протокол может облегчить проверку квантовой природы крупных объектов

Протокол для проверки квантовой природы крупных объектов, который в принципе может работать для объектов любой массы, был предложен исследователями из Великобритании и Индии. Ключевой особенностью протокола является то, что он позволяет избежать необходимости создавать макроскопическое квантовое состояние для проверки того, действительна ли квантовая механика в больших масштабах. Некоторые физики, однако, не убеждены, что исследование представляет собой значительный прогресс.

Квантовая механика проделывает фантастическую работу по описанию атомов, молекул и субатомных частиц, таких как электроны. Однако более крупные объекты обычно не демонстрируют квантового поведения, такого как запутанность и суперпозиция. Это можно объяснить с точки зрения квантовой декогеренции, которая возникает, когда тонкие квантовые состояния взаимодействуют с зашумленной средой. Это заставляет макроскопические системы вести себя в соответствии с классической физикой.

То, как квантовая механика разрушается на макроскопических масштабах, не только увлекательно с теоретической точки зрения, но и имеет решающее значение для попыток разработать теорию, которая согласует квантовую механику с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Поэтому физики стремятся наблюдать квантовое поведение во все более крупных объектах.

Огромный вызов

Создание макроскопических квантовых состояний и сохранение их достаточно долго для наблюдения за их квантовым поведением — сложная задача при работе с объектами, намного большими, чем атомы или молекулы, удерживаемые в ловушке. Действительно, квантовая запутанность вибрирующих макроскопических пластиков барабанов (каждый размером 10 микрон) двумя независимыми группами – одной в США и одной в Финляндии – была выбрана в качестве Физика Мира прорыв 2021 года за экспериментальное мастерство команд.

Новый протокол основан на неравенстве Леггетта-Гарга. Это модификация неравенства Белла, которая оценивает, являются ли два объекта квантово-механически запутанными, на основе корреляции между измерениями их состояний. Если неравенство Белла нарушается, измерения коррелируют настолько хорошо, что, если бы их состояния были независимыми, информация должна была бы перемещаться между объектами быстрее света. Поскольку сверхсветовое общение считается невозможным, нарушение интерпретируется как свидетельство квантовой запутанности.

Неравенство Леггетта-Гарга применяет тот же принцип к последовательным измерениям одного и того же объекта. Свойство объекта сначала измеряется таким образом, чтобы, если это классический (неквантовый) объект, он был неинвазивным. Позже производится еще одно измерение. Если объект является классической сущностью, то первое измерение не меняет результат второго измерения. Однако если объект определяется квантовой волновой функцией, сам акт измерения нарушит его. В результате корреляции между последовательными измерениями могут показать, подчиняется ли объект классической или квантовой механике.

Осциллирующий нанокристалл

В 2018 году физик-теоретик Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона и его коллеги предложили провести такой тест на охлажденном нанокристалле, который колеблется вперед и назад в оптической гармонической ловушке. Положение нанокристалла будет определяться путем фокусировки луча света на одной стороне ловушки. Если свет проходит сквозь нее, не рассеиваясь, объект находится по другую сторону ловушки. Наблюдая позже за той же стороной ловушки, можно вычислить, нарушается или нет неравенство Леггетта-Гарга. Если бы это было так, первоначальное необнаружение объекта нарушило бы его квантовое состояние, и, следовательно, нанокристалл будет проявлять квантовое поведение.

Проблема, говорит Бозе, в том, что массу приходится измерять дважды на одной и той же стороне ловушки. Это возможно только для масс с короткими периодами колебаний, поскольку квантовое состояние должно оставаться когерентным на протяжении всего измерения. Однако у больших масс интересов будут периоды, которые слишком длительны, чтобы это сработало. Теперь Бозе и его коллеги предлагают провести второе измерение в месте, которого, как ожидается, он достигнет, если объект подчиняется классической механике.

«Гораздо лучше отправиться в то место, куда оно двигалось бы из-за своих обычных колебаний, и выяснить, насколько оно отличается от этого места», — говорит Бозе.

Преимущество этой схемы в том, что, пока объект остается в когерентном состоянии, можно проводить эксперименты с объектами любой массы, поскольку всегда можно вычислить ожидаемое положение классического гармонического осциллятора. Становится все труднее изолировать более крупный объект, но Бозе считает, что эти, по-видимому, классические состояния будут более устойчивы к шуму, чем экзотические макроскопические квантовые состояния, такие как суперпозиции.

Отслеживание эволюции системы

Квантовый физик Влатко Ведрал из Оксфордского университета соглашается, что подход исследователей может иметь преимущества перед экспериментами, пытающимися использовать пространственно разделенные макроскопические квантовые состояния. Однако он говорит, что «в этих измерениях важным становится не столько исходное состояние, сколько последовательность измерений, которые вы производите», и что проследить эволюцию системы после первого измерения так, чтобы выявить корреляции, «не представляется возможным». вообще тривиальная проблема».

Как измерить квантовое поведение в нанокристаллах

Он также скептически относится к заявлениям о массовой независимости. «Я не знаю, насколько легко этого добиться на практике», — говорит он, — «но это просто коррелирует с размером, потому что чем больше у вас подсистем, тем больше у вас будет утечек в окружающую среду».

Тони Леггетт (который разработал неравенство в 1980-х годах вместе с Анупамом Гаргом) — эксперт по основам квантовой механики, получивший Нобелевскую премию 2003 года за свои работы в области сверхпроводимости и сверхтекучести. Теперь, почетный профессор Университета Иллинойса, он видит еще одну проблему в работе Бозе и его коллег. «Совершенно очевидно, что эти исследователи убеждены, что квантовая механика будет продолжать работать — я не так уверен», — говорит он.

Леггетт, однако, отмечает, что доказательства нарушения квантовой механики будут интерпретированы большинством физического сообщества как результат декогеренции, которая может быть вызвана инвазивным измерением. В отличие от экспериментов с известными состояниями, в которых он принимал участие, он говорит, что Бозе и его коллеги не предлагают способа проверить, насколько инвазивны их измерения, например, используя один и тот же протокол измерения для другого набора состояний.

Исследование описано в статье, которая была принята к публикации в Physical Review Letters,. A препринт доступен на ArXiv.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/