Lewitujące nanosfery osiągają splątanie kwantowe

Splątanie kwantowe, zjawisko, w którym dwie lub więcej cząstek zostaje ze sobą nierozerwalnie powiązanych bez względu na odległość między nimi, od dawna stanowi kamień węgielny świata subatomowego. Tradycyjnie te nieklasyczne korelacje wymagały ekstremalnych środowisk kriogenicznych — temperatur bliskich zeru absolutnemu — aby zapobiec niszczeniu delikatnych stanów kwantowych przez szum termiczny. Jednak przełomowe badanie przeprowadzone przez naukowców F. Marina, Q. Deplano i A. Pontina z powodzeniem wykazało stacjonarne splątanie między makroskopowym ruchem środka masy lewitującej nanosfery a polem optycznym w temperaturze pokojowej. Odkrycie to stanowi znaczący krok w zasypywaniu luki między mechaniką kwantową a światem klasycznym, w którym żyjemy, skutecznie przenosząc teoretyczne zasady kota Schrödingera do namacalnych, pokojowych warunków laboratoryjnych.

Czym jest lewitująca nanosfera w fizyce kwantowej?

Lewitująca nanosfera w fizyce kwantowej to dielektryczna cząsteczka szkła, zazwyczaj o średnicy 100 nanometrów, zawieszona w próżni za pomocą ciasno skupionej wiązki lasera, znanej jako pęseta optyczna. Izolując nanosferę od otoczenia, naukowcy mogą kontrolować ruch jej środka masy z ekstremalną precyzją, skutecznie traktując makroskopowy obiekt zawierający miliony atomów jak pojedynczy kwantowy oscylator mechaniczny. Izolacja ta ma kluczowe znaczenie dla redukcji „dyssypacji związanej z mocowaniem” oraz zakłóceń środowiskowych, które zwykle maskują efekty kwantowe w dużych obiektach.

Zastosowanie lewitacji optycznej pozwala nanosferze działać jako wysokiej jakości rezonator mechaniczny. Ponieważ cząsteczka nie jest fizycznie przytwierdzona do podłoża, doświadcza minimalnego tarcia mechanicznego. W eksperymencie przeprowadzonym przez F. Marina i współpracowników, nanosfera została sprzężona z modem wnęki optycznej poprzez proces zwany spójnym rozpraszaniem. Taka konfiguracja pozwala światłu wewnątrz wnęki na „komunikację” z fizycznym ruchem sfery. Wynikowy system zachowuje się jak interfejs optomechaniczny, w którym właściwości światła mogą być wykorzystywane do manipulowania lub pomiaru stanu kwantowego fizycznego obiektu z niespotykaną dotąd dokładnością.

Dlaczego splątanie kwantowe w temperaturze pokojowej jest istotne?

Splątanie kwantowe w temperaturze pokojowej jest istotne, ponieważ udowadnia, że nieklasyczne korelacje mogą trwać bez potrzeby stosowania złożonych i kosztownych systemów chłodzenia kriogenicznego. Historycznie, „dekoherencja” spowodowana drganiami termicznymi w temperaturze pokojowej natychmiast powodowała zapadnięcie stanu kwantowego do stanu klasycznego. Poprzez osiągnięcie stacjonarnego splątania — stanu trwałego, a nie ulotnego — w temperaturach otoczenia, badanie to pokazuje, że makroskopowa optyka kwantowa może być integrowana ze standardowymi środowiskami laboratoryjnymi i przemysłowymi, drastycznie obniżając barierę dla przyszłych technologii kwantowych.

Głównym wyzwaniem w makroskopowych eksperymentach kwantowych jest szum termiczny. W większości systemów ciepło z otaczającego środowiska powoduje, że atomy drgają tak gwałtownie, iż każda kwantowa synchronizacja zostaje utracona. Jednak lewitujący system optomechaniczny wykorzystany w tym badaniu użył detekcji heterodynowej do rekonstrukcji pełnego zestawu korelacji optyczno-mechanicznych. Naukowcy zaobserwowali wyraźne naruszenie granic separowalności, co oznacza, że matematycznie udowodniono splątanie światła i nanosfery. Wytrzymałość ta została utrzymana w szerokim zakresie odstrojeń, co sugeruje, że system jest nie tylko funkcjonalny w temperaturze pokojowej, ale także odporny na fluktuacje eksperymentalne.

Mechanizm spójnego rozpraszania

Aby osiągnąć ten stan, zespół badawczy skupił się na interakcji między ruchem nanosfery a polem elektromagnetycznym. Kluczowe cechy metodologii obejmują:

• Integrację z wnęką optyczną: Umieszczenie lewitującej nanosfery wewnątrz wnęki optycznej w celu wzmocnienia interakcji między fotonami a cząsteczką.
• Spójne rozpraszanie: Wykorzystanie fotonów z lasera pułapkującego do transferu pędu i informacji między sferą a polem wnęki.
• Rekonstrukcję korelacji: Zastosowanie detekcji heterodynowej do pomiaru zarówno fazy, jak i amplitudy światła, co pozwala na pełne mapowanie stanu kwantowego.

Jak to przybliża nas do Internetu kwantowego?

Lewitujące nanosfery ułatwiają budowę Internetu kwantowego, służąc jako wysokowydajne węzły, które mogą przechowywać, powtarzać i dystrybuować nieklasyczne korelacje między światłem a materią. Ponieważ systemy te mogą przesyłać informacje kwantowe z fizycznego stanu mechanicznego do propagującego modu optycznego, działają jako mosty dla komunikacji długodystansowej. Możliwość dystrybucji tych korelacji „poza obszar interakcji” oznacza, że dane kwantowe mogłyby teoretycznie być przesyłane przez sieci światłowodowe bez utraty ich kwantowej integralności.

W przyszłym Internecie kwantowym informacje muszą być wymieniane między różnymi typami systemów fizycznych — na przykład ze stacjonarnego banku pamięci do poruszającego się fotonu. Lewitująca nanosfera jest głównym kandydatem do tej roli, ponieważ jej ruch mechaniczny może być „strojony” do różnych częstotliwości. Badanie przeprowadzone przez A. Pontina i zespół wykazało, że splątanie jest „stacjonarne”, co oznacza, że pozostaje stabilne w czasie, a nie istnieje jedynie jako przejściowy impuls. Stabilność ta jest warunkiem wstępnym dla repeterów kwantowych, które są niezbędne do wzmacniania sygnałów kwantowych na duże odległości bez użycia tradycyjnych wzmacniaczy, które zniszczyłyby dane kwantowe.

Testowanie fizyki fundamentalnej i kota Schrödingera

Skuteczne splątanie makroskopowego obiektu otwiera również drzwi do testowania samych granic splątania kwantowego i grawitacji. Jedną z największych zagadek współczesnej nauki jest to, dlaczego w naszym codziennym życiu nie dostrzegamy efektów kwantowych, takich jak przebywanie w dwóch miejscach naraz. Poprzez skalowanie tych eksperymentów do większych i cięższych nanosfer, fizycy mogą szukać punktu „kolapsu”, w którym prawa mechaniki kwantowej mogą ustępować miejsca klasycznej grawitacji. Badania te przybliżają nas do tworzenia stanów kota Schrödingera w laboratorium — stanów, w których makroskopowy obiekt istnieje w superpozycji różnych fizycznych lokalizacji.

Ponadto wyniki te ustalają systemy lewitujące jako wiodącą platformę dla makroskopowej optyki kwantowej. Poza testami fundamentalnymi, potencjał tych nanosfer w zakresie precyzyjnego wykrywania jest ogromny. System tak czuły, że potrafi wykryć kwantowe korelacje światła, mógłby zostać wykorzystany do budowy akcelerometrów, grawimetrów i detektorów ciemnej materii nowej generacji. Badania sugerują, że kolejna faza technologii kwantowej nie będzie ograniczona do sfery subatomowej, lecz obejmie manipulację widzialną, namacalną materią.

Co dalej z lewitującą optomechaniką?

W przyszłości zespół badawczy zamierza zwiększyć masę lewitujących obiektów, aby dalej badać granice przejścia kwantowo-klasycznego. Przyszłe eksperymenty prawdopodobnie skupią się na splątaniu dwóch oddzielnych nanosfer w różnych lokalizacjach, co byłoby osiągnięciem cementującym wymagania infrastrukturalne dla funkcjonalnej sieci kwantowej. Dodatkowo, udoskonalenie technik detekcji heterodynowej mogłoby pozwolić na jeszcze wyższą wierność stanów kwantowych, potencjalnie prowadząc do pierwszych praktycznych zastosowań w wysokopasmowych czujnikach kwantowych w temperaturze pokojowej. Praca Marina, Deplano i Pontina skutecznie wyciągnęła fizykę kwantową z zamrażarki na stół laboratoryjny, sygnalizując nową erę makroskopowej eksploracji kwantowej.