Zwevende nanosferen bereiken kwantumverstrengeling

Kwantumverstrengeling, een fenomeen waarbij twee of meer deeltjes onverbrekelijk met elkaar verbonden raken ongeacht de afstand tussen hen, is al lang de hoeksteen van de subatomaire wereld. Traditioneel vereisten deze niet-klassieke correlaties extreme cryogene omgevingen—temperaturen nabij het absolute nulpunt—om te voorkomen dat thermische ruis de delicate kwantumtoestanden vernietigt. Een baanbrekend onderzoek door de wetenschappers F. Marin, Q. Deplano en A. Pontin heeft echter met succes stationaire verstrengeling aangetoond tussen de macroscopische massamiddelpuntbeweging van een geleviteerde nanosfeer en een optisch veld bij kamertemperatuur. Deze ontdekking betekent een aanzienlijke sprong in het overbruggen van de kloof tussen de kwantummechanica en de klassieke wereld waarin wij leven, waardoor de theoretische principes van Schrödingers kat effectief naar een tastbare laboratoriumopstelling op kamertemperatuur worden gebracht.

Wat is een geleviteerde nanosfeer in de kwantumfysica?

Een geleviteerde nanosfeer in de kwantumfysica is een diëlektrisch glasdeeltje, doorgaans 100 nanometer in diameter, dat in een vacuüm wordt gezweefd met behulp van een strak gefocuste laserstraal die bekendstaat als een optisch pincet. Door de nanosfeer van zijn omgeving te isoleren, kunnen onderzoekers de massamiddelpuntbeweging met extreme precisie beheersen, waardoor een macroscopisch object dat miljoenen atomen bevat effectief wordt behandeld als een enkele kwantummechanische oscillator. Deze isolatie is cruciaal voor het verminderen van "inklemdissipatie" en omgevingsinterferentie, die kwantumeffecten in grote objecten gewoonlijk maskeren.

Het gebruik van optische levitatie stelt de nanosfeer in staat om te fungeren als een mechanische resonator van hoge kwaliteit. Omdat het deeltje niet fysiek aan een substraat is bevestigd, ervaart het minimale mechanische wrijving. In het experiment uitgevoerd door F. Marin en collega's werd de nanosfeer gekoppeld aan een optische trilholte-modus via een proces dat coherente verstrooiing wordt genoemd. Deze opstelling zorgt ervoor dat het licht binnen de trilholte kan "communiceren" met de fysieke beweging van de sfeer. Het resulterende systeem gedraagt zich als een optomechanische interface waarbij de eigenschappen van het licht kunnen worden gebruikt om de kwantumtoestand van het fysieke object met ongekende nauwkeurigheid te manipuleren of te meten.

Waarom is kwantumverstrengeling op kamertemperatuur significant?

Kwantumverstrengeling op kamertemperatuur is significant omdat het bewijst dat niet-klassieke correlaties kunnen blijven bestaan zonder de noodzaak van complexe en dure cryogene koelsystemen. Historisch gezien zou de "decoherentie" veroorzaakt door thermische trillingen bij kamertemperatuur een kwantumtoestand onmiddellijk doen ineenstorten tot een klassieke toestand. Door stationaire verstrengeling te bereiken—een aanhoudende in plaats van een vluchtige toestand—bij omgevingstemperaturen, toont dit onderzoek aan dat macroscopische kwantumoptica kan worden geïntegreerd in standaard laboratorium- en industriële omgevingen, wat de barrière voor toekomstige kwantumtechnologieën drastisch verlaagt.

De grootste uitdaging in macroscopische kwantumexperimenten is thermische ruis. In de meeste systemen zorgt de hitte van de omringende omgeving ervoor dat atomen zo hevig trillen dat elke kwantumsynchronisatie verloren gaat. Het geleviteerde optomechanische systeem dat in deze studie werd gebruikt, maakte echter gebruik van heterodyne detectie om de volledige set van optisch-mechanische correlaties te reconstrueren. De onderzoekers namen een duidelijke schending van de scheidbaarheidsgrenzen waar, wat betekent dat mathematisch werd bewezen dat het licht en de nanosfeer verstrengeld waren. Deze robuustheid bleef behouden over een breed bereik van detunings, wat suggereert dat het systeem niet alleen functioneel is bij kamertemperatuur, maar ook bestand is tegen experimentele fluctuaties.

Het mechanisme van coherente verstrooiing

Om deze toestand te bereiken, richtte het onderzoeksteam zich op de interactie tussen de beweging van de nanosfeer en het elektromagnetisch veld. Belangrijke kenmerken van de methodologie zijn onder meer:

• Integratie van optische trilholtes: Het plaatsen van de geleviteerde nanosfeer in een optische trilholte om de interactie tussen fotonen en het deeltje te versterken.
• Coherente verstrooiing: Het gebruik van fotonen van de vanglaser om impuls en informatie over te dragen tussen de sfeer en het veld in de trilholte.
• Reconstructie van correlaties: Het gebruik van heterodyne detectie om zowel de fase als de amplitude van het licht te meten, wat een volledige mapping van de kwantumtoestand mogelijk maakt.

Hoe brengt dit ons dichter bij een kwantuminternet?

Geleviteerde nanosferen faciliteren een kwantuminternet door te dienen als hoogwaardige knooppunten die niet-klassieke correlaties tussen licht en materie kunnen opslaan, herhalen en distribueren. Omdat deze systemen kwantuminformatie kunnen overdragen van een fysieke mechanische toestand naar een voortplantende optische modus, fungeren ze als bruggen voor langeafstandscommunicatie. Het vermogen om deze correlaties te distribueren "buiten het interactiegebied" betekent dat kwantumgegevens theoretisch over glasvezelnetwerken kunnen worden verzonden zonder hun kwantumintegriteit te verliezen.

In een toekomstig kwantuminternet moet informatie worden uitgewisseld tussen verschillende soorten fysieke systemen—bijvoorbeeld van een stationaire geheugenbank naar een bewegend foton. De geleviteerde nanosfeer is een uitstekende kandidaat voor deze rol omdat de mechanische beweging kan worden "afgestemd" op verschillende frequenties. De studie door A. Pontin en het team toonde aan dat de verstrengeling "stationair" is, wat betekent dat deze in de loop van de tijd stabiel blijft in plaats van te bestaan als een voorbijgaande puls. Deze stabiliteit is een eerste vereiste voor kwantumrepeaters, die nodig zijn om kwantumsignalen over lange afstanden te versterken zonder het gebruik van traditionele versterkers die de kwantumgegevens zouden vernietigen.

Fundamentele fysica en Schrödingers kat testen

De succesvolle verstrengeling van een macroscopisch object opent ook de deur naar het testen van de uiterste grenzen van kwantumverstrengeling en zwaartekracht. Een van de grootste mysteries in de moderne wetenschap is waarom we geen kwantumeffecten, zoals op twee plaatsen tegelijk zijn, in ons dagelijks leven zien. Door deze experimenten op te schalen naar grotere en zwaardere nanosferen, kunnen natuurkundigen zoeken naar het "instortingspunt" waar de wetten van de kwantummechanica mogelijk plaatsmaken voor klassieke zwaartekracht. Dit onderzoek brengt ons dichter bij het creëren van Schrödingers kat-toestanden in het laboratorium—toestanden waarin een macroscopisch object bestaat in een superpositie van verschillende fysieke locaties.

Bovendien vestigen deze bevindingen geleviteerde systemen als een vooraanstaand platform voor macroscopische kwantumoptica. Naast fundamentele tests zijn de uiterst nauwkeurige detectiemogelijkheden van deze nanosferen enorm. Een systeem dat zo gevoelig is dat het de kwantumcorrelaties van licht kan detecteren, zou kunnen worden gebruikt om de volgende generatie versnellingsmeters, gravimeters en donkeremateriedetectoren te bouwen. Het onderzoek suggereert dat de volgende fase van kwantumtechnologie niet beperkt zal blijven tot het subatomaire rijk, maar betrekking zal hebben op de manipulatie van zichtbare, tastbare materie.

Wat is de volgende stap voor geleviteerde optomechanica?

Vooruitkijkend wil het onderzoeksteam de massa van de geleviteerde objecten vergroten om de grenzen van de kwantum-klassieke overgang verder te onderzoeken. Toekomstige experimenten zullen zich waarschijnlijk richten op het verstrengelen van twee afzonderlijke nanosferen op verschillende locaties, een prestatie die de infrastructuurvereisten voor een functioneel kwantumnetwerk zou consolideren. Daarnaast zou het verfijnen van de heterodyne detectietechnieken een nog hogere betrouwbaarheid van de kwantumtoestanden mogelijk kunnen maken, wat potentieel kan leiden tot de eerste praktische toepassingen in kwantumdetectie met hoge bandbreedte bij kamertemperatuur. Het werk van Marin, Deplano en Pontin heeft de kwantumfysica effectief uit de vriezer naar de laboratoriumtafel verplaatst, wat een nieuw tijdperk inluidt voor macroscopisch kwantumonderzoek.