โปรโตคอลอาจทำให้การทดสอบธรรมชาติควอนตัมของวัตถุขนาดใหญ่ได้ง่ายขึ้น - โลกฟิสิกส์

โปรโตคอลอาจทำให้การทดสอบธรรมชาติควอนตัมของวัตถุขนาดใหญ่ได้ง่ายขึ้น - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 4 มกราคม 2024 9:27 น

วัตถุที่กำลังสั่น
วัตถุที่สั่นไหว: โปรโตคอลใหม่จะประเมินความไม่เท่าเทียมกันของ Leggett-Garg โดยไม่จำเป็นต้องสร้างสถานะควอนตัมขนาดมหภาค (เอื้อเฟื้อโดย: Shutterstock/Evgenia-Fux)

นักวิจัยในสหราชอาณาจักรและอินเดียเสนอโปรโตคอลสำหรับทดสอบธรรมชาติควอนตัมของวัตถุขนาดใหญ่ซึ่งตามหลักการแล้วสามารถใช้ได้กับวัตถุที่มีมวลเท่าใดก็ได้ คุณลักษณะสำคัญของโปรโตคอลคือการหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการสร้างสถานะควอนตัมขนาดมหภาคเพื่อทดสอบว่ากลศาสตร์ควอนตัมนั้นใช้ได้ในขนาดใหญ่หรือไม่ อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์บางคนไม่เชื่อว่าการวิจัยครั้งนี้มีความก้าวหน้าอย่างมาก

กลศาสตร์ควอนตัมทำหน้าที่อธิบายอะตอม โมเลกุล และอนุภาคย่อยของอะตอม เช่น อิเล็กตรอน ได้อย่างยอดเยี่ยมในการอธิบาย อย่างไรก็ตาม วัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่ามักจะไม่แสดงพฤติกรรมควอนตัม เช่น การพัวพันและการซ้อน สิ่งนี้สามารถอธิบายได้ในแง่ของการลดความสอดคล้องของควอนตัม ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อสถานะควอนตัมที่ละเอียดอ่อนมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง สิ่งนี้ทำให้ระบบมหภาคทำงานตามฟิสิกส์คลาสสิก

การที่กลศาสตร์ควอนตัมสลายตัวในระดับมหภาคนั้นไม่เพียงแต่น่าสนใจในเชิงทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพยายามพัฒนาทฤษฎีที่ปรับกลศาสตร์ควอนตัมให้เข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อีกด้วย นักฟิสิกส์จึงกระตือรือร้นที่จะสังเกตพฤติกรรมควอนตัมในวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าเดิม

ความท้าทายที่น่ากลัว

การสร้างสถานะควอนตัมขนาดมหึมาและรักษาสถานะเหล่านั้นไว้นานพอที่จะสังเกตพฤติกรรมควอนตัมของสถานะนั้นถือเป็นความท้าทายที่น่าเกรงขามเมื่อต้องรับมือกับวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าอะตอมหรือโมเลกุลที่ติดอยู่ในกับดัก อันที่จริง การพันกันของควอนตัมของหัวกลองขนาดมหึมาแบบสั่น (แต่ละขนาด 10 ไมครอน) โดยกลุ่มอิสระสองกลุ่ม - กลุ่มหนึ่งในสหรัฐอเมริกาและอีกกลุ่มในฟินแลนด์ - ได้รับเลือกให้เป็น ฟิสิกส์โลก ความก้าวหน้าแห่งปี 2021 สำหรับความสามารถในการทดลองของทีม

โปรโตคอลใหม่ได้รับแรงบันดาลใจจากความไม่เท่าเทียมกันของ Leggett-Garg นี่คือการปรับเปลี่ยนความไม่เท่าเทียมกันของ Bell ซึ่งจะประเมินว่าวัตถุสองชิ้นนั้นพัวพันกับความสัมพันธ์ระหว่างการวัดสถานะของวัตถุทั้งสองหรือไม่ หากความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ถูกละเมิด การวัดจะมีความสัมพันธ์กันอย่างมาก โดยที่หากรัฐเป็นอิสระ ข้อมูลจะต้องเดินทางได้เร็วกว่าแสงระหว่างวัตถุต่างๆ เนื่องจากคิดว่าการสื่อสารในระดับเหนือแสงเป็นไปไม่ได้ การละเมิดจึงถูกตีความว่าเป็นหลักฐานของการพัวพันกับควอนตัม

อสมการเลกเก็ตต์-การ์กใช้หลักการเดียวกันในการวัดตามลำดับของวัตถุเดียวกัน คุณสมบัติของวัตถุจะถูกวัดเป็นครั้งแรกในลักษณะที่หากเป็นวัตถุคลาสสิก (ไม่ใช่ควอนตัม) จะไม่รุกราน ต่อมาก็ทำการวัดอีกครั้ง หากวัตถุนั้นเป็นเอนทิตีแบบคลาสสิก การวัดครั้งแรกจะไม่เปลี่ยนแปลงผลลัพธ์ของการวัดครั้งที่สอง อย่างไรก็ตาม หากวัตถุนั้นถูกกำหนดโดยฟังก์ชันคลื่นควอนตัม การวัดค่านั้นจะรบกวนวัตถุนั้น ด้วยเหตุนี้ ความสัมพันธ์ระหว่างการวัดที่ต่อเนื่องกันจึงสามารถเปิดเผยได้ว่าวัตถุนั้นเป็นไปตามกลศาสตร์คลาสสิกหรือควอนตัมหรือไม่

นาโนคริสตัลที่สั่นไหว

ในปี 2018 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี ซูกาโต โบส ที่มหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอนและเพื่อนร่วมงานเสนอให้ทำการทดสอบกับนาโนคริสตัลที่เย็นลงซึ่งแกว่งไปมาในกับดักฮาร์มอนิกแบบออปติคอล ตำแหน่งของนาโนคริสตัลจะถูกกำหนดโดยการเน้นลำแสงไปที่ด้านหนึ่งของกับดัก หากแสงส่องผ่านโดยไม่กระเจิง วัตถุนั้นก็จะอยู่อีกด้านหนึ่งของกับดัก จากการสังเกตด้านเดียวกันของกับดักในภายหลัง เราสามารถคำนวณได้ว่าอสมการเลกเก็ตต์-การ์กถูกละเมิดหรือไม่ หากเป็นเช่นนั้น การไม่ตรวจจับวัตถุในขั้นต้นอาจรบกวนสถานะควอนตัมของมัน และด้วยเหตุนี้นาโนคริสตัลจึงจะแสดงพฤติกรรมควอนตัม

โบสกล่าวว่าปัญหาคือต้องวัดมวลในด้านเดียวกันของกับดักสองครั้ง สิ่งนี้ใช้ได้เฉพาะกับมวลที่มีการแกว่งในช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น เนื่องจากสถานะควอนตัมจะต้องมีความสอดคล้องกันตลอดการวัด อย่างไรก็ตาม ความสนใจจำนวนมากจะมีช่วงเวลาที่นานเกินไปสำหรับสิ่งนี้ ตอนนี้ โบสและเพื่อนร่วมงานเสนอว่าการวัดครั้งที่สองจะทำ ณ ตำแหน่งที่หากวัตถุนั้นเป็นไปตามกลศาสตร์ดั้งเดิม ก็คาดว่าจะถึงนั้นแล้ว

“จะดีกว่ามากหากไปยังสถานที่ที่มันจะไปเนื่องจากการสั่นตามปกติ และดูว่าสถานที่นั้นมีความแตกต่างกันมากน้อยเพียงใด” โบสกล่าว

ประโยชน์ของรูปแบบนี้คือ ตราบใดที่วัตถุยังคงอยู่ในสถานะที่สอดคล้องกัน ก็ควรจะเป็นไปได้ที่จะทำการทดลองสำหรับวัตถุที่มีมวลใดๆ เนื่องจากสามารถคำนวณตำแหน่งที่คาดหวังของออสซิลเลเตอร์ฮาร์มอนิกแบบคลาสสิกได้เสมอ การแยกวัตถุขนาดใหญ่ออกได้ยากขึ้น แต่โบสเชื่อว่าสถานะคลาสสิกที่เห็นได้ชัดเหล่านี้จะมีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนมากกว่าสถานะควอนตัมมหภาคที่แปลกใหม่ เช่น การซ้อนทับ

วิวัฒนาการของระบบติดตาม

นักฟิสิกส์ควอนตัม วลาตโก เวดราล แห่งมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ดเห็นพ้องว่าแนวทางของนักวิจัยสามารถให้ประโยชน์มากกว่าการทดลองที่พยายามใช้สถานะควอนตัมที่แยกจากกันในเชิงพื้นที่ อย่างไรก็ตาม เขากล่าวว่า "สิ่งที่สำคัญในการวัดเหล่านี้ไม่ใช่สถานะเริ่มต้นมากนัก แต่เป็นลำดับของการวัดที่คุณทำ" และการติดตามวิวัฒนาการของระบบหลังจากการวัดครั้งแรกเพื่อให้เปิดเผยความสัมพันธ์ "ไม่ใช่ เป็นปัญหาเล็กน้อยเลย”

เขายังสงสัยเกี่ยวกับการเรียกร้องเอกราชของมวลชนด้วย “ผมไม่รู้ว่าในทางปฏิบัติมันง่ายแค่ไหนที่จะบรรลุเป้าหมาย” เขากล่าว “แต่มันก็สัมพันธ์กับขนาด เพราะยิ่งคุณมีระบบย่อยมากเท่าไร คุณก็จะยิ่งรั่วไหลออกสู่สิ่งแวดล้อมมากขึ้นเท่านั้น”

โทนี่ เลกเก็ตต์ (ผู้ร่วมพัฒนาความไม่เท่าเทียมกันในช่วงทศวรรษ 1980 กับอนุปัม การ์ก) เป็นผู้เชี่ยวชาญในด้านรากฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลในปี 2003 จากผลงานของเขาในด้านความเป็นตัวนำยิ่งยวดและของเหลวยิ่งยวด ปัจจุบันเป็นศาสตราจารย์กิตติคุณที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เขามองเห็นปัญหาอีกประการหนึ่งในงานของ Bose และเพื่อนร่วมงาน “เห็นได้ชัดว่านักวิจัยเหล่านี้เชื่อมั่นว่ากลศาสตร์ควอนตัมจะยังคงทำงานต่อไป ฉันไม่มั่นใจนัก” เขากล่าว

อย่างไรก็ตาม Leggett ตั้งข้อสังเกตว่าหลักฐานของการพังทลายของกลศาสตร์ควอนตัมจะถูกตีความโดยคนส่วนใหญ่ในชุมชนฟิสิกส์อันเป็นผลมาจากการแยกส่วนซึ่งอาจเกิดจากการวัดที่รุกราน แตกต่างจากการทดลองในสถานะที่รู้จักซึ่งเขาได้มีส่วนร่วม เขากล่าวว่า Bose และเพื่อนร่วมงานไม่ได้นำเสนอวิธีทดสอบว่าการวัดของพวกเขารุกรานเพียงใด ตัวอย่างเช่น การใช้โปรโตคอลการวัดเดียวกันในชุดของสถานะที่แตกต่างกัน

งานวิจัยได้อธิบายไว้ในบทความที่ได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น. A สามารถพิมพ์ล่วงหน้าได้ที่ arXiv.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์

อาศัยอยู่บน 'ดาวอังคาร' เป็นเวลาหนึ่งปีการผจญภัยในอวกาศของดาราดิสนีย์แบบจำลองคอมพิวเตอร์ฝุ่นดวงจันทร์ – โลกฟิสิกส์

คลัสเตอร์ต้นทาง:
โหนดต้นทาง: 1950613
ประทับเวลา: กุมภาพันธ์ 23, 2024