Достижение физиков - прорыв в квантовой запутанности⁠⁠

Физики впервые ввели в состояние запутанности макрообъекты.

Результат будет иметь практическое применение в квантовых коммуникациях и поможет создать новые ультрачувствительные датчики. Почему, подробно рассказано ниже.

Мы не раз слышали о квантовом запутывании фотонов, но на этот раз учёные из Университета Нильса Бора в Дании квантово запутали... облако атомов и мембрану (своего рода барабан) из нитрида кремния толщиной 13 нанометров и длиной несколько миллиметров, которая слегка вибрировала под ударами фотонов.

Эти фотоны, или элементарные частицы света, появились благодаря разреженному облаку из миллиарда атомов цезия, "запертых" внутри небольшой сильно охлаждённой камеры.

Несмотря на то, что это два очень разных объекта, миллиметровый "барабан" и облако атомов, они представляют собой запутанную квантовую систему. И эта система раздвигает границы квантовой механики.

«Чем больше объекты, чем дальше они друг от друга, чем сильнее они различаются, тем интереснее становится запутанность как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, - рассказывает ведущий автор недавней работы Юджин Ползик. - С новым результатом стало возможным запутывание очень разных объектов».

Облако атомов барабанит по мембране при помощи испускаемых фотонов, а физики "слышат" этот звук. Фото с сайта nbi.ku.dk.

Чтобы понять, чем важно это достижение, вспомним, что два квантово запутанных объекта "чувствуют" друг друга, несмотря на километры между ними. Если изменяется состояние одного, то меняется состояние и другого. Они словно бы синхронизированы, хотя между ними нет никакой физической связи.

Также стоит вспомнить, что любой объект во Вселенной как бы немного вибрирует. Это движение не останавливается даже при абсолютном нуле температуры (происходят так называемые нулевые колебания). И это явление ограничивает представление о любой из систем, которую физики пытаются изучить (физики называют это принципом неопределённости).

В своём эксперименте команда Юджина Ползика фактически показала, что объекты их запутанной системы движутся настолько синхронно, что удаётся преодолеть ограничения, накладываемые принципом неопределённости.

«Квантовая механика похожа на палку о двух концах - она даёт нам прекрасные новые технологии, но также ограничивает точность измерений, которые с классической точки зрения могут показаться простыми», - объясняет ещё один автор новой работы Михал Парняк.

Аспирант Кристофер Остфельдт объясняет далее: «Представьте себе различные способы реализации квантовых состояний как своего рода зоопарк различных реальностей... Если, например, мы хотим построить какое-то устройство, чтобы использовать различные качества, которыми все они обладают и в которых они выполняют разные функции, решают разные задачи, необходимо будет изобрести язык, на котором все они смогут разговаривать. Квантовые состояния должны иметь возможность общаться, чтобы мы могли использовать весь потенциал квантового устройства".

Теперь у учёных фактически есть способ заставить двух зверей такого зоопарка рычать на одном языке.

Ещё один конкретный, хотя, пожалуй, и сложный для понимания перспектив пример. Квантовое зондирование. Оно позволит у знать о микромире много нового и интересного. Ведь когда только один из двух запутанных объектов будет подвергаться внешнему воздействию, запутанность позволит измерить нужные свойства второго объекта с невероятной по современным меркам чувствительностью, не ограниченной нулевыми колебаниями. Это как заглянуть в удивительный квантовый мир с помощью микроскопа. Если представить, сколько всего нового и важного учёные узнали с его помощью о мире бактерий и клеток, то голова просто взрывается от мыслей, как много нового мы узнаем при помощи квантового зондирования.

Достижение открывает новые фантастические технические возможности. Иллюстрация IQOQI Innsbruck\Harald Ritsch.

А ещё новое достижение потенциально позволяет увеличить и без того фантастическую чувствительность детекторов гравитационных волн. Эти волны можно наблюдать, потому что они сотрясают зеркала интерферометра. Но даже чувствительность LIGO ограничена квантовой механикой, потому что зеркала лазерного интерферометра также подвергаются нулевым колебаниям. Эти колебания приводят к шуму, мешающему наблюдать крошечное движение зеркал, вызванное гравитационными волнами.

Теперь, думаю, понятно, почему такого рода достижения - это важный шаг к безграничной точности измерений. Модельный эксперимент, демонстрирующий такую возможность, и был проведён в лаборатории Юджина Ползика.

Видимый барабан, вибрирующий от "дуновения" фотонов, исходящих от облака атомов, - это совсем другая история в жизни физиков всего мира.

https://www.nature.com/articles/s41567-020-1031-5

https://zen.yandex.ru/media/vesti_nauka/fiziki-vpervye-kvant...