Левитирующие наносферы достигли квантовой запутанности

Квантовая запутанность — явление, при котором две или более частицы становятся неразрывно связанными независимо от расстояния между ними, — долгое время считалось краеугольным камнем субатомного мира. Традиционно эти неклассические корреляции требовали экстремальных криогенных условий — температур, близких к абсолютному нулю, — чтобы тепловой шум не разрушал хрупкие квантовые состояния. Однако в ходе новаторского исследования ученые F. Marin, Q. Deplano и A. Pontin успешно продемонстрировали стационарную запутанность между макроскопическим движением центра масс левитирующей наносферы и оптическим полем при комнатной температуре. Это открытие представляет собой значительный скачок в преодолении разрыва между квантовой механикой и классическим миром, в котором мы живем, фактически перенося теоретические принципы кота Шрёдингера в реальную лабораторную обстановку при комнатной температуре.

Что такое левитирующая наносфера в квантовой физике?

Левитирующая наносфера в квантовой физике — это диэлектрическая стеклянная частица диаметром обычно около 100 нанометров, подвешенная в вакууме с помощью плотно сфокусированного лазерного луча, известного как оптический пинцет. Изолируя наносферу от окружающей среды, исследователи могут управлять движением её центра масс с экстремальной точностью, фактически рассматривая макроскопический объект, содержащий миллионы атомов, как единый квантово-механический осциллятор. Такая изоляция имеет решающее значение для снижения «контактной диссипации» (clamping dissipation) и помех со стороны окружающей среды, которые обычно маскируют квантовые эффекты в крупных объектах.

Использование оптической левитации позволяет наносфере выступать в роли высококачественного механического резонатора. Поскольку частица физически не прикреплена к подложке, она испытывает минимальное механическое трение. В эксперименте, проведенном F. Marin и коллегами, наносфера была связана с модой оптического резонатора посредством процесса, называемого когерентным рассеянием. Такая установка позволяет свету внутри резонатора «взаимодействовать» с физическим движением сферы. Результирующая система ведет себя как оптомеханический интерфейс, где свойства света могут быть использованы для манипулирования или измерения квантового состояния физического объекта с беспрецедентной точностью.

Почему значима квантовая запутанность при комнатной температуре?

Квантовая запутанность при комнатной температуре значима, потому что она доказывает, что неклассические корреляции могут сохраняться без необходимости использования сложных и дорогих систем криогенного охлаждения. Исторически сложилось так, что «декогеренция», вызванная тепловыми вибрациями при комнатной температуре, должна была немедленно приводить к коллапсу квантового состояния в классическое. Достигнув стационарной запутанности — устойчивого, а не мимолетного состояния — при температуре окружающей среды, это исследование демонстрирует, что макроскопическая квантовая оптика может быть интегрирована в стандартные лабораторные и промышленные условия, что радикально снижает барьер для будущих квантовых технологий.

Основной проблемой в макроскопических квантовых экспериментах является тепловой шум. В большинстве систем тепло окружающей среды заставляет атомы колебаться настолько сильно, что любая квантовая синхронизация теряется. Однако левитирующая оптомеханическая система, использованная в данном исследовании, задействовала гетеродинное детектирование для реконструкции полного набора оптико-механических корреляций. Исследователи наблюдали явное нарушение границ сепарабельности, что математически доказывает запутанность света и наносферы. Эта устойчивость сохранялась в широком диапазоне частотных расстроек, что позволяет предположить, что система не только функциональна при комнатной температуре, но и устойчива к экспериментальным флуктуациям.

Механизм когерентного рассеяния

Для достижения этого состояния исследовательская группа сосредоточилась на взаимодействии между движением наносферы и электромагнитным полем. Ключевые особенности методологии включают:

• Интеграция в оптический резонатор: Размещение левитирующей наносферы внутри оптического резонатора для усиления взаимодействия между фотонами и частицей.
• Когерентное рассеяние: Использование фотонов удерживающего лазера для передачи импульса и информации между сферой и полем резонатора.
• Реконструкция корреляций: Применение гетеродинного детектирования для измерения как фазы, так и амплитуды света, что позволяет полностью картировать квантовое состояние.

Как это приближает нас к квантовому интернету?

Левитирующие наносферы способствуют созданию квантового интернета, выступая в качестве высокопроизводительных узлов, которые могут хранить, повторять и распределять неклассические корреляции между светом и материей. Поскольку эти системы могут передавать квантовую информацию из физического механического состояния в распространяющуюся оптическую моду, они служат мостами для связи на больших расстояниях. Возможность распределять эти корреляции «за пределы области взаимодействия» означает, что квантовые данные теоретически могут передаваться по волоконно-оптическим сетям без потери их квантовой целостности.

В будущем Квантовом интернете информация должна будет передаваться между различными типами физических систем — например, из стационарного банка памяти в движущийся фотон. Левитирующая наносфера является основным кандидатом на эту роль, поскольку её механическое движение может быть «настроено» на различные частоты. Исследование A. Pontin и команды продемонстрировало, что запутанность является «стационарной», то есть она остается стабильной во времени, а не существует в виде кратковременного импульса. Эта стабильность является необходимым условием для квантовых повторителей, которые нужны для усиления квантовых сигналов на больших расстояниях без использования традиционных усилителей, разрушающих квантовые данные.

Тестирование фундаментальной физики и кот Шрёдингера

Успешная запутанность макроскопического объекта также открывает двери для тестирования самих пределов квантовой запутанности и гравитации. Одна из величайших загадок современной науки заключается в том, почему мы не видим квантовых эффектов, таких как нахождение в двух местах одновременно, в нашей повседневной жизни. Масштабируя эти эксперименты на более крупные и тяжелые наносферы, физики смогут искать точку «коллапса», где законы квантовой механики могут уступить место классической гравитации. Это исследование приближает нас к созданию состояний кота Шрёдингера в лаборатории — состояний, в которых макроскопический объект существует в суперпозиции различных физических местоположений.

Кроме того, эти результаты утверждают левитирующие системы как ведущую платформу для макроскопической квантовой оптики. Помимо фундаментальных испытаний, возможности высокоточного сенсоринга этих наносфер огромны. Система, настолько чувствительная, что может обнаруживать квантовые корреляции света, может быть использована для создания акселерометров, гравиметров и детекторов темной материи следующего поколения. Исследование предполагает, что следующая фаза квантовых технологий не будет ограничена субатомным миром, а будет включать в себя манипулирование видимой, осязаемой материей.

Что ждет левитирующую оптомеханику в будущем?

В перспективе исследовательская группа намерена увеличить массу левитирующих объектов для дальнейшего изучения границ квантово-классического перехода. Будущие эксперименты, вероятно, будут сосредоточены на запутывании двух отдельных наносфер в разных местах, что закрепило бы требования к инфраструктуре для функциональной квантовой сети. Кроме того, совершенствование методов гетеродинного детектирования может обеспечить еще более высокую точность квантовых состояний, что потенциально приведет к первым практическим применениям в широкополосном квантовом сенсоринге при комнатной температуре. Работа Marin, Deplano и Pontin фактически вывела квантовую физику из «холодильника» на лабораторный стол, ознаменовав новую эру макроскопических квантовых исследований.