Kvantno zapleteni fotoni

26.9.2024 5 min branja

V izjemnem podvigu znanstvenega raziskovanja je skupina raziskovalcev uspešno izmerila učinek Zemljine rotacije na kvantno zapletene fotone. Ta pionirski poskus, ki ga je izvedla skupina pod vodstvom Philipa Waltherja na Univerzi na Dunaju, premika meje občutljivosti vrtenja v senzorjih, ki temeljijo na zapletih.

Ti briljantni znanstveniki so svet pripeljali korak bližje fascinantnemu presečišču med kvantno mehaniko in splošno teorijo relativnosti. Njihova raziskava predstavlja pomemben mejnik v našem razumevanju zapletenega odnosa med vrtečimi se referenčnimi sistemi in kvantno prepletenostjo.

Sagnacov občutek iz optičnih interferometrov

Optični interferometri Sagnac so že dolgo priznani kot najbolj občutljive naprave za merjenje vrtljajev. Ti instrumenti so imeli ključno vlogo pri oblikovanju našega razumevanja temeljne fizike od zgodnjih let prejšnjega stoletja in so prispevali k uveljavitvi Einsteinove posebne teorije relativnosti.

Danes so zaradi svoje neprimerljive natančnosti vrhunsko orodje za merjenje rotacijskih hitrosti, omejeno le z mejami klasične fizike. Vendar pa lahko interferometri, ki uporabljajo kvantno prepletenost za merjenje rotacije Zemlje, presežejo te meje. Ko sta dva ali več delcev prepletena, je znano le celotno stanje, medtem ko stanje posameznega delca ostane nedoločeno do meritve. To edinstveno lastnost je mogoče izkoristiti za pridobitev več informacij na meritev, kot bi bilo mogoče brez zapletanja.

Premagovanje občutljive narave zapletenosti

Kljub ogromnemu potencialu senzorjev, ki temeljijo na zapletanju, je njihovo praktično izvajanje ovirala izjemno občutljiva narava zapletanja. Tu je dunajski eksperiment naredil pomemben preboj.

Raziskovalci so izdelali ogromen Sagnacov interferometer z optičnimi vlakni z dvema zapletenima fotonoma, ki se širita znotraj 2 kilometra dolgega optičnega vlakna, navitega na ogromno tuljavo. Ta postavitev je realizirala interferometer z učinkovito površino več kot 700 kvadratnih metrov. Z ohranjanjem nizkega in stabilnega hrupa več ur je ekipi uspelo zaznati dovolj visokokakovostnih zapletenih fotonskih parov, da tisočkrat presežejo natančnost vrtenja prejšnjih kvantnih optičnih Sagnacovih interferometrov.

Prevara svetlobe v vrtečem se vesolju

Eden glavnih izzivov, s katerimi so se soočali raziskovalci, je bila izolacija in izločanje signala enakomerne rotacije Zemlje. "Bistvo zadeve je v vzpostavitvi referenčne točke za naše meritve, kjer na svetlobo ne vpliva rotacijski učinek Zemlje," pojasnjuje glavni avtor Raffaele Silvestri. "Glede na našo nezmožnost, da bi zaustavili Zemljino vrtenje, smo iznašli rešitev: optično vlakno razdelili na dve enako dolgi tuljavi in ​​ju povezali prek optičnega stikala."

Z vklopom in izklopom stikala so lahko raziskovalci po želji učinkovito preklicali signal vrtenja, kar jim je omogočilo razširitev stabilnosti njihovega velikega aparata. "V bistvu smo prelisičili svetlobo, da je mislila, da je v nerotacijskem vesolju," je zaključil Silvestri.

Kvantni fotoni in rotacija Zemlje

V Sagnacovem interferometru dva delca, ki potujeta v nasprotnih smereh vrteče se zaprte poti, dosežeta začetno točko ob različnih časih. Ko pa sta vpletena dva zapletena delca, se zgodi nekaj nenavadnega: obnašata se kot en sam delec, ki preizkuša obe smeri hkrati, medtem ko kopičita dvakrat večjo časovno zakasnitev v primerjavi s scenarijem, kjer zapleta ni. Ta edinstvena lastnost je znana kot super-ločljivost.

Eksperiment, ki je bil izveden v okviru raziskovalne mreže TURIS, ki jo gostita Univerza na Dunaju in Avstrijska akademija znanosti, je uspešno opazoval učinek rotacije Zemlje na maksimalno zapleteno dvofotonsko stanje. Ta potrditev interakcije med vrtljivimi referenčnimi sistemi in kvantno prepletenostjo, kot je opisano v Einsteinovi posebni teoriji relativnosti in kvantni mehaniki, predstavlja tisočkratno izboljšavo natančnosti v primerjavi s prejšnjimi poskusi. "To predstavlja pomemben mejnik, saj je stoletje po prvem opazovanju vrtenja Zemlje s svetlobo prepletenost posameznih kvantov svetlobe končno prešla v enake režime občutljivosti," pravi Haocun Yu, ki je delal na tem eksperimentu kot Marie-Curie Podoktorski sodelavec.

Raziskovanje krivulj prostora-časa

Uspešna predstavitev te metodologije odpira vznemirljive možnosti za prihodnje raziskave. Philip Walther, vodilni raziskovalec, verjame, da bodo njihovi rezultati in metodologija postavili temelje za nadaljnje izboljšave občutljivosti vrtenja senzorjev, ki temeljijo na zapletih. "To bi lahko odprlo pot za prihodnje poskuse, ki preizkušajo obnašanje kvantne prepletenosti skozi krivulje prostora-časa," dodaja.

Zemljina rotacija združuje Einsteina s kvantnim kraljestvom Ta fascinanten poskus pomeni pomemben mejnik v našem razumevanju zapletenega razmerja med kvantno prepletenostjo in učinki vrtenja Zemlje. Z uspešnim merjenjem vpliva vrtenja našega planeta na zapletene fotone z natančnostjo brez primere ta raziskava potrjuje napovedi Einsteinove posebne teorije relativnosti in kvantne mehanike, hkrati pa odpira vrata v novo obdobje raziskovanja na fascinantnem stičišču teh dveh temeljnih področij. Medtem ko znanstveniki še naprej premikajo meje senzorjev, ki temeljijo na prepletanju, stojimo na robu razkritja skrivnosti vesolja-časa in globljega razumevanja najbolj temeljnega delovanja vesolja. Celotna študija je bila objavljena v reviji Science Advances.