Протокол може полегшити перевірку квантової природи великих об’єктів – Physics World

Дослідники з Великобританії та Індії запропонували протокол для перевірки квантової природи великих об’єктів, який, в принципі, може працювати для об’єктів будь-якої маси. Ключовою особливістю протоколу є те, що він обходить необхідність створення макроскопічного квантового стану, щоб перевірити, чи дійсна квантова механіка у великих масштабах. Деякі фізики, однак, не впевнені, що дослідження є значним прогресом.

Квантова механіка робить фантастичну роботу з опису атомів, молекул і субатомних частинок, таких як електрони. Однак більші об’єкти зазвичай не виявляють квантової поведінки, як-от заплутування та суперпозиція. Це можна пояснити з точки зору квантової декогеренції, яка виникає, коли делікатні квантові стани взаємодіють із шумовим середовищем. Це змушує макроскопічні системи поводитися відповідно до класичної фізики.

Те, як квантова механіка руйнується в макроскопічних масштабах, є не лише теоретично захоплюючим, але й вирішальним для спроб розробити теорію, яка примиряє квантову механіку із загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна. Тому фізики прагнуть спостерігати за квантовою поведінкою все більших об’єктів.

Величезний виклик

Створення макроскопічних квантових станів і збереження їх достатньо довго, щоб спостерігати їх квантову поведінку, є величезним викликом, коли маємо справу з об’єктами, набагато більшими за атоми чи молекули, утримувані в пастці. Дійсно, квантове сплутування вібруючих макроскопічних головок барабанів (кожна розміром 10 мікрон) двома незалежними групами – однією в США та іншою у Фінляндії – було обрано як Світ фізики прорив 2021 року за експериментальну майстерність команд.

Новий протокол заснований на нерівності Леггетта-Гарга. Це модифікація нерівності Белла, яка визначає, чи є два об’єкти квантово-механічно переплутаними на основі кореляції між вимірюваннями їхніх станів. Якщо нерівність Белла порушується, вимірювання настільки добре корелюють, що якби їхні стани були незалежними, інформація повинна була б переміщатися між об’єктами швидше, ніж світло. Оскільки надсвітлове спілкування вважається неможливим, порушення інтерпретується як доказ квантової заплутаності.

Нерівність Леггетта-Гарга застосовує той самий принцип до послідовних вимірювань того самого об’єкта. Властивість об’єкта спочатку вимірюється таким чином, щоб – якщо це класичний (неквантовий) об’єкт – бути неінвазивним. Пізніше проводиться ще одне вимірювання. Якщо об’єкт є класичним об’єктом, то перше вимірювання не змінює результат другого вимірювання. Однак, якщо об’єкт визначається квантовою хвильовою функцією, сам акт вимірювання порушить його. У результаті кореляції між послідовними вимірюваннями можуть виявити, чи підкоряється об’єкт класичній чи квантовій механіці.

Коливальний нанокристал

У 2018 році фіз.-теоретик Сугато Бозе в Університетському коледжі Лондона та його колеги запропонували провести такий тест на охолодженому нанокристалі, який коливається вперед і назад в оптичній гармонійній пастці. Положення нанокристала буде визначено шляхом фокусування променя світла на одній стороні пастки. Якщо світло проходить без розсіювання, об’єкт знаходиться по інший бік пастки. Спостерігаючи ту саму сторону пастки пізніше, можна обчислити, чи порушується нерівність Леггетта-Гарга. Якщо це так, початкове невиявлення об’єкта порушило б його квантовий стан, і тому нанокристал демонстрував би квантову поведінку.

Проблема, каже Боуз, полягає в тому, що масу потрібно вимірювати з одного боку пастки двічі. Це можливо лише для мас із короткими періодами коливань, оскільки квантовий стан має залишатися когерентним протягом усього вимірювання. Однак великі маси інтересів матимуть надто довгі періоди, щоб це спрацювало. Тепер Бозе та його колеги пропонують провести друге вимірювання в місці, якого, як очікується, він досягне, якщо об’єкт підкоряється класичній механіці.

«Набагато краще піти туди, куди б він рухався через своє нормальне коливання, і дізнатися, наскільки він відрізняється від цього місця», — каже Боуз.

Перевага цієї схеми полягає в тому, що поки об’єкт залишається в когерентному стані, можна проводити експеримент для об’єктів будь-якої маси, оскільки завжди можна обчислити очікуване положення класичного гармонічного осцилятора. Стає важче виділити більші об’єкти, але Боуз вважає, що ці очевидно класичні стани будуть більш стійкими до шуму, ніж екзотичні макроскопічні квантові стани, такі як суперпозиції.

Еволюція системи стеження

Квантовий фізик Влатко Ведрал Оксфордського університету погоджується, що підхід дослідників може запропонувати переваги порівняно з експериментами, які намагаються використовувати просторово розділені макроскопічні квантові стани. Однак він каже, що «те, що стає важливим у цих вимірюваннях, — це не стільки початковий стан, скільки послідовність вимірювань, які ви робите», і що відстеження еволюції системи після першого вимірювання, щоб виявити кореляції, «не є взагалі тривіальна проблема».

Як виміряти квантову поведінку в нанокристалах

Він також скептично ставиться до заяви про масову незалежність. «Я не знаю, наскільки легко цього досягти на практиці, — каже він, — але це просто пов’язано з розміром, тому що чим більше у вас підсистем, тим більше буде витоку в навколишнє середовище».

Тоні Леггетт (який спільно розробив нерівність у 1980-х роках разом з Анупамом Гаргом) є експертом з основ квантової механіки, який розділив Нобелівську премію 2003 року за роботу з надпровідності та надплинних рідин. Тепер почесний професор Університету Іллінойсу він бачить іншу проблему в роботі Бозе та його колег. «Цілком очевидно, що ці дослідники переконані, що квантова механіка продовжить працювати – я не дуже впевнений», – каже він.

Однак Леггетт зазначає, що докази порушення квантової механіки будуть інтерпретовані більшістю у спільноті фізиків як результат декогеренції, яка може бути спричинена інвазивним вимірюванням. На відміну від експериментів на відомих станах, у яких він брав участь, він каже, що Боуз і його колеги не пропонують засобів для перевірки того, наскільки інвазивними є їхні вимірювання, наприклад, використовуючи той самий протокол вимірювання для іншого набору станів.

Дослідження описано в статті, яка була прийнята до публікації в Physical Review Letters,. A препринт доступний на ArXiv.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/