Квантовая запутанность - одно из самых любопытных явлений в квантовой механике. Настолько странным и противоречащим здравому смыслу, что Альберт Эйнштейн назвал это «призрачным действием на расстоянии», но отказался это признать. Хотя экспериментально подтверждено, что между микроскопическими объектами (частицами, атомами, молекулами) запутанность быстро становится нестабильной, когда размер запутанных объектов увеличивается. Однако физикам удалось запутать два макроскопических объекта, в общей сложности один миллиард миллиардов атомов!
В механизме квантовой запутанности два запутанных объекта становятся одним уникальным взаимозависимая система, использующая одно и то же математическое пространство и одну и ту же волновую функцию; таким образом, измерение одного мгновенно приводит к измерению другого. Если квантовая запутанность успешно тестировалась на очень больших расстояниях, то размер объектов всегда представлял собой экспериментальную проблему. Действительно, чем больше размеры запутанных объектов, тем более запутанность становится нестабильной из-за возмущений окружающей среды, действующих как «электронный шум» и ухудшающих «связь» между объектами. два объекта.
Однако двум группам физиков удалось установить запутанность между двумя макроскопическими объектами «Есть действительно интересный вопрос, один то есть спросить: как высоко ты можешь забраться?» объясняет Эндрю Армор, физик из Ноттингемского университета (Великобритания). Этот прорыв может проложить путь к разработке сверхчувствительных измерительных приборов, к проверке теорий гравитации или даже к проверке безопасности систем, основанных на квантовой криптографии. Полученные результаты были опубликованы в журнале Nature.
Две исследовательские группы использовали разные методы, чтобы продемонстрировать эту макроскопическую запутанность. Сначала Саймон Грёблахер и его коллеги из Делфтского технологического университета (Нидерланды) использовали два кремниевых луча размером 15 микрометров(размером примерно с бактерию), который может вибрировать, как струна на гитаре.
Два луча были объединены в две отдельные сверхпроводящие цепи размером 20 см, соединенные с оптическим волокном. Затем все устройство охлаждалось до температуры, близкой к абсолютному нулю, так что сочетание низкой температуры и электрического поля цепи нейтрализует паразитные возмущения и помехи, оставляя только собственные колебания лучей.
Затем, используя управляемые инфракрасные лазерные импульсы, физики послали в устройство достаточно энергии, чтобы заставить один из лучей вибрировать немного сильнее, чем другой. Измерив электромагнитное излучение, исходящее от устройства, исследователи получили подтверждение того, что избыточная энергия действительно была передана, но, с другой стороны, они не смогли определить, какой луч получил эту энергию, что указывает на то, что этот избыток был одновременно используется обоими лучами Запутанность сохранялась между двумя элементами, каждый из которых состоит примерно из 10 миллиардов атомов, в течение доли секунды
Вторая исследовательская группа под руководством Мики Силланпаа из Университета Аалто (Финляндия) решила использовать две алюминиевые мембраны 15 микрометров в диаметре - приблизительно один миллиард миллиардов атомов толщиной с человеческий волос - они тоже объединены в две сверхпроводящие цепи, разделенные расстоянием 20 см.
После охлаждения устройства исследователи бомбардировали две мембраны микроволнами, чтобы привести их в синхронизированную вибрацию. Анализ сигнала, производимого устройством, показал, что две мембраны имеют уникальное квантовое состояние Запутывание поддерживалось в течение полчаса Но, как объясняет Силланпаа, оно может продолжаться бесконечнокак как только мембраны бомбардируются микроволнами.
Два опыта открывают путь к различным приложениям. Грёблахер и его команда создали свои лучи, чтобы они вибрировали с той же частотой, что и свет, проходящий по оптическим волокнам, чтобы сделать их совместимыми с современными телекоммуникационными системами..
«Устройство легко доработать», - говорит Грёблахер. Если физикам удастся сохранить запутанность дольше и увеличить расстояние между сверхпроводящими цепями, эти устройства могут служить реле в будущем Квантовый Интернет, который может передавать сверхзащищенную информацию между квантовые компьютеры.
Что касается прибора Силланпаа, то он скорее будет использоваться для очень точных измерительных приборов. Высокая чувствительность квантовых датчиков позволяет им обнаруживать очень слабые сигналы, такие как гравитационные волны. Благодаря большим размерам эти устройства могут даже проверять теории квантовой гравитации
Для Джона Тойфела, физика из Национального института стандартов и технологий (США), оба эксперимента имеют свои преимущества и недостатки. Запутанность Грёблахера сохранялась недолго, но наблюдалась с уверенностью. Запутанность Силланпаа сохранялась дольше, но потребовала цепочки сложных теоретических рассуждений, чтобы прийти к ее интерпретации. «В идеале нужно и то, и другое. Но с технологической точки зрения это действительно важный шаг вперед».
Следующим шагом, по словам Мэтта Вулли, физика из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия), является демонстрация возможности квантовой телепортацииэти колебания от одного макроскопического объекта к другому.«Благодаря квантовой телепортации физические свойства объекта могут передаваться посредством запутывания», - объясняет он. «Нельзя отрицать, что наступила эра макроскопической квантовой механики», - заключает Вулли.