Prawa kwantowe obowiązują dla klastrów metali

Wyrazisty dowód na to, że maleńka grudka metalu może być falą

W tym miesiącu, w zacisznym laboratorium na Uniwersytecie Wiedeńskim (University of Vienna), badacze wysłali pakiety obojętnego sodu – z których każdy zawierał od około 5 000 do 10 000 atomów – przez metrowej długości linię wiązki i obserwowali, jak zachowują się one niczym fale. Klastry przechodziły przez sekwencję stojących pól światła ultrafioletowego, które działały jak niewidzialne siatki; na samym końcu detektory zarejestrowały uderzający wzór prążków w pozycjach przylotu. Prążki te są znakiem rozpoznawczym interferencji kwantowej: pojedynczy obiekt podąża więcej niż jedną drogą naraz, a następnie łączy się ponownie, tworząc jasne i ciemne pasma.

Wiedeński interferometr i zasada jego działania

Prążki, makroskopowość i przedmiot pomiaru

Przy detektorze badacze przeskanowali końcową maskę świetlną i policzyli, ile klastrów przeszło przez każdą pozycję. Liczba ta oscylowała w przestrzeni – tworząc wyraźne jasne i ciemne prążki – co odpowiadało interferencji oczekiwanej, gdy amplitudy różnych ścieżek sumują się lub znoszą. Zmierzony odstęp prążków odpowiadał separacji pozycji rzędu pięciu milionowych cala, co stanowi makroskopową separację przestrzenną w stosunku do rozmiarów samych klastrów.

Fizycy kwantyfikują to, jak silnie dany eksperyment bada granicę kwantowo–klasyczną, za pomocą pojedynczej liczby zwanej makroskopowością. Dla tych klastrów sodu wynik osiągnął około 15,5 – to około dziesięć razy więcej niż wcześniejsze wyniki interferometrii nanocząstek. Ta wyższa wartość nie sprawia, że przedmioty codziennego użytku stają się kwantowe, ale oznacza, że eksperyment jest znacznie surowszym testem dla propozycji dążących do zmodyfikowania mechaniki kwantowej w większych skalach.

Ograniczanie modeli kolapsu i podział kwantowo-klasyczny

Przez dziesięciolecia teoretycy sugerowali, że coś – być może masa, grawitacja lub obiektywny proces stochastyczny – powoduje, że duże systemy przestają wykazywać superpozycję. Te modele kolapsu dodają losowe „pchnięcia” do równania Schrödingera, tak aby rozciągły, rozmyty stan gwałtownie lokalizował się w jednym określonym wyniku. Wynik z Wiednia spycha te koncepcje w coraz ciaśniejszy róg: ponieważ klastry pozostały w rozciągłych przestrzennie superpozycjach, które wyraźnie interferowały, każdy mechanizm kolapsu działający w tej skali masy i długości musi być słabszy lub działać inaczej, niż przewidują niektóre wersje tych modeli.

Nie dowodzi to, że nie istnieje skala, w której reguły kwantowe zawodzą. Eksperyment pokazuje jednak, że w warunkach ekstremalnej izolacji i przy starannym przygotowaniu, zachowanie falowe materii przetrwa w znacznie większych skupiskach atomów, niż rutynowo zakładano. Pytanie brzmi teraz, gdzie – o ile w ogóle – pojawia się twarda granica, czy też reguły kwantowe rozszerzają się bez wyraźnego punktu odcięcia, ograniczone jedynie przez wyzwania techniczne, takie jak dekoherencja.

Jak wpisuje się to w inne niedawne przełomy kwantowe

Praca naukowców z Wiednia jest jednym z wątków szerszego i przyspieszającego programu eksperymentalnego, który przenosi efekty kwantowe do coraz większych układów. Zespoły z Tampere University i współpracujące z nimi instytucje dostarczyły niedawno pierwszego eksperymentalnego potwierdzenia, że orbitalny moment pędu jest zachowany nawet wtedy, gdy pojedynczy foton rozpada się na parę – był to rygorystyczny test praw zachowania na poziomie pojedynczego fotonu, możliwy dzięki niskoszumowej optyce nieliniowej i niezwykle wydajnym schematom detekcji. W innych miejscach grupy badawcze przygotowały superpozycje ruchowe w makroskopowych rezonatorach i kryształach, a teoretycy nakreślili propozycje testów laboratoryjnych mających sprawdzić, czy sama grawitacja może splątać masywne obiekty.

Krajowe laboratoria metrologiczne podkreślają praktyczną stronę tego postępu. Agencje takie jak National Institute of Standards and Technology zaznaczają, że te same techniki precyzyjnej kontroli, które umożliwiają testy fundamentalne, dają również początek nowym technologiom: czujnikom kwantowym, dokładniejszym zegarom oraz komponentom dla przyszłych sieci i procesorów kwantowych. Krótko mówiąc, eksperymenty badające granice mechaniki kwantowej są jednocześnie laboratoriami, w których wykuwane są narzędzia kwantowe nowej generacji.

Techniczne i koncepcyjne wyzwania na przyszłość

Droga do większych i bardziej złożonych superpozycji prowadzi bezpośrednio przez dekoherencję. Każda przypadkowa interakcja – z cząsteczkami powietrza, fotonami termicznymi czy błądzącymi polami elektromagnetycznymi – wynosi informację o drodze obiektu („which-path information”) i powoduje kolaps superpozycji. Skalowanie wymaga zatem lepszego chłodzenia, czystszej próżni, delikatniejszej manipulacji i detektorów zdolnych dostrzec maleńkie sygnały bez wprowadzania nowych zakłóceń.

Harmonogram: materiały, odległości i nowe testy

Zespół zasugerował wykorzystanie różnych materiałów – innych metali, izolatorów lub cząstek kompozytowych – aby zbadać, jak gęstość, wewnętrzne stopnie swobody i struktura wpływają na interferencję. Dłuższe dystanse przelotu zwiększają czas, w którym mechanizmy kolapsu mogłyby zadziałać, więc wydłużenie bazy interferometru to kolejny prosty sposób na zaostrzenie ograniczeń dla teorii. Naukowcy dążą również do wygenerowania splątania między oddzielonymi przestrzennie obiektami lub do połączenia masywnych superpozycji z czułymi sondami siły w celu poszukiwania splątania za pośrednictwem grawitacji – co jest proponowaną eksperymentalną sygnaturą grawitacji kwantowej.

Dlaczego wynik ten ma znaczenie wykraczające poza czystą fizykę

Poza koncepcyjnym przeciąganiem liny w kwestii tego, czy natura narzuca kwantowo-klasyczne odcięcie, eksperymenty te mają znaczenie, ponieważ doskonalą narzędzia stanowiące fundament technologii jutra. Lepsza kontrola nad superpozycją i dekoherencją napędza postęp w dziedzinie czujników, pomiaru czasu i przetwarzania informacji – zastosowań, które już znajdują się na progu komercjalizacji. Co więcej, precyzyjne testy praw zachowania i symetrii na poziomie kwantowym mogą ujawnić subtelne błędy lub ukryte oddziaływania istotne dla protokołów komunikacji kwantowej i metrologii.

Ostatecznie wyniki te kształtują sposób, w jaki naukowcy formułują pytania o ogólny obraz świata. Jeśli zachowanie kwantowe może utrzymywać się w coraz większych skupiskach atomów, wówczas linia dzieląca świat kwantowy od klasycznego może być raczej praktyczną granicą eksperymentalną niż zasadniczą ścianą kosmologiczną. Przesuwa to wyzwanie z poszukiwania nowej reguły na opanowanie systemów kwantowych na tyle dobrze, by móc projektować z ich wykorzystaniem w skali makro.

Interferencja klastrów w Wiedniu, testy zachowania fotonów oraz eksperymenty wprowadzające kryształy i rezonatory w stany superpozycji wspólnie wyznaczają okres, w którym fizyka fundamentalna i stosowana inżynieria kwantowa rozwijają się ramię w ramię. Każdy kolejny krok zacieśnia ograniczenia teoretyczne i poszerza możliwości praktyczne – sprawiając, że nieuchwytne przenikanie się kwantowej dziwności i codziennych skal staje się wyraźniejsze i dostępne eksperymentalnie.

Źródła

• arXiv (preprint dot. interferometrii nanocząstek)
• Physical Review Letters (zachowanie momentu pędu na poziomie pojedynczego fotonu)
• University of Vienna (grupa badawcza Arndta)
• Tampere University (eksperyment nad orbitalnym momentem pędu fotonu)
• National Institute of Standards and Technology (NIST)