Protokol bi lahko olajšal testiranje kvantne narave velikih objektov – Physics World

Raziskovalci iz Združenega kraljestva in Indije so predlagali protokol za testiranje kvantne narave velikih predmetov – ki bi načeloma lahko deloval za predmete katere koli mase. Ključna značilnost protokola je, da se izogne ​​potrebi po ustvarjanju makroskopskega kvantnega stanja za preizkušanje, ali je kvantna mehanika veljavna na velikih lestvicah ali ne. Nekateri fiziki pa niso prepričani, da raziskava pomeni pomemben napredek.

Kvantna mehanika opravlja fantastično delo pri opisovanju atomov, molekul in subatomskih delcev, kot so elektroni. Vendar pa večji predmeti običajno ne kažejo kvantnega vedenja, kot sta prepletanje in superpozicija. To je mogoče razložiti v smislu kvantne dekoherence, ki se pojavi, ko občutljiva kvantna stanja medsebojno delujejo s hrupnim okoljem. To povzroči, da se makroskopski sistemi obnašajo v skladu s klasično fiziko.

Kako se kvantna mehanika razčleni na makroskopskih lestvicah, ni samo teoretično fascinantno, ampak tudi ključno za poskuse razvoja teorije, ki bi kvantno mehaniko uskladila s splošno teorijo relativnosti Alberta Einsteina. Fiziki zato radi opazujejo kvantno vedenje v vedno večjih objektih.

Močan izziv

Ustvarjanje makroskopskih kvantnih stanj in njihovo ohranjanje dovolj dolgo, da lahko opazujemo njihovo kvantno vedenje, je izjemen izziv, ko imamo opravka s predmeti, ki so veliko večji od atomov ali molekul, ujetih v pasti. Dejansko je bila kvantna prepletenost vibrirajočih makroskopskih glav bobnov (vsaka velikosti 10 mikronov) dveh neodvisnih skupin – ene v ZDA in ene na Finskem – izbrana kot Svet fizike preboj leta 2021 za eksperimentalno moč ekip.

Novi protokol se zgleduje po Leggett-Gargovi neenakosti. To je modifikacija Bellove neenakosti, ki ocenjuje, ali sta dva predmeta kvantno-mehansko zapletena na podlagi korelacije med meritvami njunih stanj. Če je Bellova neenakost kršena, so meritve tako dobro povezane, da bi morale informacije med objekti potovati hitreje od svetlobe, če bi bila njihova stanja neodvisna. Ker se domneva, da je superluminalna komunikacija nemogoča, se kršitev razlaga kot dokaz kvantne prepletenosti.

Leggett-Gargova neenakost uporablja isti princip za zaporedne meritve istega predmeta. Lastnost predmeta se najprej izmeri na način, ki je – če gre za klasičen (nekvantni) objekt – neinvaziven. Kasneje se izvede še ena meritev. Če je objekt klasična entiteta, potem prva meritev ne spremeni rezultata druge meritve. Če pa je objekt definiran s kvantno valovno funkcijo, ga bo motilo samo dejanje merjenja. Posledično lahko korelacije med zaporednimi meritvami razkrijejo, ali predmet upošteva klasično ali kvantno mehaniko.

Nihajoči nanokristal

Leta 2018 teoretični fizik Sougato Bose na University College London in sodelavci so predlagali izvedbo takega testa na ohlajenem nanokristalu, ki niha naprej in nazaj v optični harmonični pasti. Položaj nanokristala bi določili z fokusiranjem žarka svetlobe na eno stran pasti. Če svetloba prehaja brez razpršitve, je predmet na drugi strani pasti. Če kasneje opazujemo isto stran pasti, lahko izračunamo, ali je Leggett-Gargova neenakost kršena ali ne. Če je, bi prvotno nezaznavanje predmeta motilo njegovo kvantno stanje, zato bi nanokristal pokazal kvantno vedenje.

Težava, pravi Bose, je, da je treba maso dvakrat izmeriti na isti strani pasti. To je izvedljivo samo za mase s kratkimi obdobji nihanja, ker mora kvantno stanje ostati koherentno med meritvijo. Vendar bodo velike množice zanimanja imele predolga obdobja, da bi to delovalo. Zdaj Bose in njegovi sodelavci predlagajo, da se druga meritev izvede na lokaciji, za katero se pričakuje, da bo dosegla, če je objekt ubogal klasično mehaniko.

"Veliko bolje je iti na mesto, kamor bi šel zaradi svojega normalnega nihanja, in ugotoviti, koliko se razlikuje glede na to mesto," pravi Bose.

Prednost te sheme je v tem, da bi moralo biti, dokler je predmet v koherentnem stanju, mogoče izvesti poskus za predmete katere koli mase, saj je vedno mogoče izračunati pričakovani položaj klasičnega harmoničnega oscilatorja. Težje postane izolirati večji predmet, vendar Bose meni, da bi bila ta navidezno klasična stanja bolj robustna za hrup kot eksotična makroskopska kvantna stanja, kot so superpozicije.

Razvoj sistema za sledenje

Kvantni fizik Vlatko Vedral Univerze v Oxfordu se strinja, da bi lahko pristop raziskovalcev ponudil prednosti pred poskusi, ki poskušajo uporabiti prostorsko ločena makroskopska kvantna stanja. Vendar pravi, da "kar postane pomembno pri teh meritvah, ni toliko začetno stanje, temveč zaporedje meritev, ki jih opravite," in da sledenje razvoju sistema po prvi meritvi, tako da se razkrijejo korelacije, "ni sploh nepomembna težava«.

Kako izmeriti kvantno obnašanje v nanokristalih

Prav tako je skeptičen glede trditve o množični neodvisnosti. "V praksi ne vem, kako enostavno je to doseči," pravi, "vendar je preprosto povezano z velikostjo, ker več podsistemov imate, več uhajanja boste imeli v okolje."

Tony Leggett (ki je v osemdesetih letih prejšnjega stoletja skupaj z Anupamom Gargom razvil neenakost) je strokovnjak za temelje kvantne mehanike, ki je leta 1980 prejel Nobelovo nagrado za svoje delo o superprevodnosti in supertekočinah. Zdaj zaslužni profesor na Univerzi v Illinoisu vidi drugo težavo pri delu Boseja in kolegov. "Zelo jasno je, da so ti raziskovalci prepričani, da bo kvantna mehanika še naprej delovala - jaz nisem tako prepričan," pravi.

Leggett pa ugotavlja, da bi dokaze za razpad kvantne mehanike večina v skupnosti fizikov razlagala kot rezultat dekoherence – ki bi jo lahko povzročila invazivna meritev. Za razliko od eksperimentov na znanih stanjih – katerih del je bil – pravi, da Bose in njegovi sodelavci ne predstavljajo sredstva za preizkušanje, kako invazivne so njihove meritve, na primer z uporabo istega merilnega protokola na drugačnem naboru stanj.

Raziskava je opisana v članku, ki je bil sprejet za objavo v Pisni pregledi fizike. A prednatis je na voljo na arXiv.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/