Kvantiškai susieti du tolimi dideli objektai – taip bus galima atlikti neriboto tikslumo matavimus

Susietumas yra kvantinių komunikacijų ir kvantinių jutiklių pagrindas. Jį galima suprasti kaip kvantinį ryšį tarp dviejų objektų, verčiantį juos elgtis, lyg jie būtų vienas kvantinis objektas.

Tyrėjams pavyko sukurti susietumą tarp dviejų skirtingų ir nutolusių vienas nuo kito objektų. Vienas iš jų yra mechaninis oscikliatorius, vibruojanti dielektrinė membrana, o kitas yra debesis atomų, kurie kiekvienas veikia kaip mažytis magnetas – fizikai tai vadina sukiniu. Dabar šias labai skirtingas esybes tapo įmanoma susieti šviesos dalelėmis – fotonais. Atomai gali praversti, apdorojant kvantinę informaciją, o membrana – ar bendrai mechaninė optinė sistema – gali praversti saugant kvantinę informaciją.

Tyrimams vadovavęs profesorius Eugene Polzik, teigia: „Šia nauja technika plečiame susietumo galimybių ribas. Kuo objektai didesni ir kuo toliau vienas nuo kito, tuo jie labiau skiriasi, ir tuo įdomesnės jų susiejimo perspektyvos tiek fundamentalia, tiek taikomąja prasme. Nauji rezultatai rodo, kad tapo įmanoma susieti labai skirtingus objektus.“

Kas yra susietumas ir kaip jis taikomas?

Norit suprasti visą naujų rezultatų apimtį, svarbu tiksliai suprasti pačio kvantinio susietumo koncepciją:

Naudodami tą patį sukinių susietumo su mechanine membrana pavyzdį, įsivaizduokime vibruojančios membranos poziciją ir bendro atomų sukinio pokrypį, primenančių besisukančius vilkelius. Jei abu objektai juda atsitiktinai, tačiau matome, kad abu juda kairėn ar dešinėn tuo pat metu, vadiname tai koreliacija. Tokį koreliuotą judėjimą paprastai apsiriboja vadinamu nulinio taško judėjimu – likutiniu, nekoreliuotu visos materijos judėjimu, vykstančiu netgi absoliutaus nulio temperatūroje. Tai apriboja mūsų žinias apie bet kurią sistemą. Savo eksperimente, Eugene'o Polziko komanda sistemas susiejo, tai yra, kad jie juda koreliuotai didesniu tikslumu, nei nulinio taško judėjimas. „Kvantinė mechanika yra kaip dviašmenis kardas – ji suteikia mums nuostabias naujas technologijas, tačiau kartu ir riboja tikslumą matavimų, kurie klasikinės fizikos požiūriu neturėtų būti sudėtingi,“ – sako komandos narys Michał Parniak. Susietos sistemos gali išlikti idealiai koreliuotos netgi būdamos toli viena nuo kitos – tokia savybė glumino mokslininkus nuo pat kvantinės mechanikos atsiradimo seniau nei prieš 100 metų.

PhD studentas Christoffer Østfeldt aiškina toliau: „Įsivaizduokite skirtingus kvantinių būsenų sukūrimo būdus kaip tam tikrą, labai besiskiriančių savybių ir galimybių, skirtingų tikrovių situacijų zoologijos sodą. Jei, tarkime, norime sukurti kokį nors įrenginį, galintį išnaudoti jų visų skirtingas savybes ir kuriame atlieka skirtingas funkcijas ir sprendžia skirtingus uždavinius, būtinai reikės išrasti kalbą, kuria galėtų kalbėti visi. Šios kvantinės būsenos būtinos komunikavimui, visam įrenginio potencialui išnaudoti. Šis dviejų zoologijos sodo elementų susietumas parodė, kad gebame tai atlikti.“

Specifinis skirtingų kvantinių objektų susietumo perspektyvų pavyzdys yra kvantiniai jutikliai. Skirtingi objektai jautrūs skirtingiems išorės poveikiams. Pavyzdžiui, mechaniniai osciliatoriai naudojami kaip akselerometrai ir jėgos jutikliai, tuo tarpu atomų sukinys naudojamas magnetometruose. Kai išorės veiksniai veikia tik vieną iš dviejų skirtingų susietų objektų, naudojant susietumą, galima atlikti matavimus, kurių neriboja objekto nulinio taško fluktuacijos.

Naujosios technikos panaudojimų apžvalga

Tiek mažų, tiek didelių šios technologijos osciliatorių jutiklių pritaikymas neturėtų ilgai užtrukti. Viena iš svarbiausių pastarųjų metų mokslo naujienų buvo pirmasis gravitacinių bangų užfiksavimas Lazerinio interferometro gravitacinų bangų observatorijoje (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory – LIGO). LIGO junta ir išmatuoja neišpasakytai silpnas bangas, sukeltas toli kosmose įvykusių astronominių įvykių, tokių, kaip juodųjų bedugnių ar neutroninių žvaigždžių susiliejimas. Šias bangas įmanoma stebėti, jos sujudina interferometro veidrodžius. Bet netgi LIGO jautrumą riboja kvantinė mechanika, nes lazerio veidrodžius irgi drebina nulinio-taško fluktuacijos. Jos sukelia triukšmą, kliudantį pastebėti gravitacinių bangų sukeliamus veidrodžių judesius.

Tikriausiai bus pasiektas neribotas matavimų tikslumas

Iš principo įmanoma susieti LIGO veidrodžius su atomų debesimi ir taip eliminuoti veidrodžių nulinio taško triukšmą, kaip kad aptariamame eksperimente buvo atlikta su membrana. Kvantinio susietumo nulemta ideali koreliacija tarp veidrodžių ir atomų sukinių gali būti panaudota tokiuose jutikliuose praktiškai panaikinti neužtikrintumą. Tereikia paimti informaciją iš vienos sistemos ir pritaikyti žinias kitai. Taip galėtume tuo pat metu sužinoti LIGO veidrodžių poziciją ir momentą, ir žengti į vadinamąją poerdvį be kvantinės mechanikos link neriboto judėjimo matavimo tikslumo. Šį principą demonstruojantis eksperimentas jau ruošiamas Eugene'o Polziko laboratorijoje.

Niels Bohr Institute
scitechdaily.com

Nuoroda: "Entanglement between distant macroscopic mechanical and spin systems" by Rodrigo A. Thomas, Michał Parniak, Christoffer Østfeldt, Christoffer B. Møller, Christian Bærentsen, Yeghishe Tsaturyan, Albert Schliesser, Jürgen Appel, Emil Zeuthen and Eugene S. Polzik, 21 September 2020, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-020-1031-5