Квантовое переплетение - это соединение двух частиц или объектов, которые, хотя и находятся на расстоянии, их соответствующие свойства связаны таким образом, который невозможен в соответствии с правилами классической физики.
Это странное явление, которое Эйнштейн описывает как «действие призрака на расстоянии», но именно его странность делает его таким увлекательным для ученых. В новом исследовании, опубликованном в Science, квантовое переплетение непосредственно наблюдалось и регистрировалось в макроскопическом масштабе, т.е. масштаб намного больше, чем субатомные частицы, обычно связанные с этим явлением.
С человеческой точки зрения размеры все еще очень малы - в экспериментах используются два небольших алюминиевых барабана с пятой части поперечного сечения человеческого волоса - но для квантовой физики они огромны.
«Если вы проанализируете данные о положении и импульсе (произведение массы частицы и ее скорости) для двух барабанов независимо, каждый будет выглядеть нормально», объясняет физик Джон Тойфель из Национального института стандартов и технологий (NIST) в США.
«Но глядя на них вместе, мы можем видеть, что то, что выглядит как случайное движение одного барабана, сильно коррелируется другим способом, который возможен только посредством квантового переплетения».
Раньше считалось, что квантовое переплетение не могло произойти с макроскопическими объектами, что его эффекты не были заметны в более крупном масштабе - или, возможно, в макроскопическом масштабе явление управлялось другим набором правил.
Это новое исследование предполагает, что это не так. Фактически, здесь применяются те же квантовые правила, которые действительно можно увидеть. Исследователи применили вибрацию к небольшим мембранам барабана с помощью микроволновых фотонов и синхронизировали их с их положением и скоростью.
Чтобы предотвратить внешнее вмешательство, обычную проблему с квантовыми состояниями, барабаны охлаждаются, переплетаются и измеряются на различных этапах в криогенно охлаждаемой комнате. Затем состояния барабана кодируются в отраженном микроволновом поле, которое действует подобно радару.
В предыдущих исследованиях также сообщалось о макроскопическом квантовом переплетении, но новое исследование идет дальше: все необходимые измерения записываются и переплетение генерируется детерминированным, неслучайным образом.
В связанной, но отдельной серии экспериментов , исследователи, также работающие с макроскопическими барабанами (или осцилляторами) в состоянии квантового переплетения, показывают, как можно измерить положение и импульс обеих пластин барабана одновременно.
«В нашей работе пластинки барабана демонстрируют коллективное квантовое движение» - говорит физик Лауре Мерсье де Лепинай из Университета Аалто в Финляндии. «Барабаны вибрируют в противоположных фазах по отношению друг к другу, поэтому, когда один из них находится в конечном положении цикла вибрации, другой одновременно находится в противоположном положении».
«В этой ситуации квантовая неопределенность движения барабанов отменяется, если два барабана рассматриваются как единый квантово-механический объект».
Что примечательно в этой новости, так это то, что она обходит принцип неопределенности Гейзенберга - идею о том, что позиция и импульс не могут быть точно измерены одновременно. Принцип состоит в том, что каждое измерение будет мешать другому посредством процесса, называемого квантовой обратной связью .
В дополнение к поддержке другого исследования, демонстрирующего макроскопическое квантовое переплетение, эта конкретная часть исследования использует это переплетение, чтобы избежать квантовой обратной реакции - по сути, исследуя границу между классической физикой и квантовой физикой (где применяется принцип неопределенности).
Одно из потенциальных будущих приложений наборов результатов - квантовые сети - способность манипулировать и переплетать объекты в макроскопическом масштабе, чтобы они могли питать сети связи следующего поколения.
«Помимо практических приложений, эти эксперименты смотрят на то, как далеко в макроскопических сферах может зайти экспериментальное наблюдение отдельных квантовых явлений» - пишут физики Хой-Кван Лау и Аашиш Клерк.