Kvantesammenfiltring realiseret mellem fjerne store objekter

Et team af forskere ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, har haft held med at vikle to meget forskellige kvanteobjekter ind. Resultatet har flere potentielle anvendelser inden for ultrapræcis sansning og kvantekommunikation og er nu udgivet i Naturfysik .

Entanglement er grundlaget for kvantekommunikation og kvantesansning. Det kan forstås som en kvanteforbindelse mellem to objekter, der får dem til at opføre sig som et enkelt kvanteobjekt.

Forskere lykkedes med at skabe sammenfiltring mellem en mekanisk oscillator - en vibrerende dielektrisk membran - og en sky af atomer, hver fungerer som en lille magnet, eller hvad fysikere kalder "spin". Disse meget forskellige entiteter var mulige at sammenfiltre ved at forbinde dem med fotoner, partikler af lys. Atomer kan være nyttige til behandling af kvanteinformation, og membranen - eller mekaniske kvantesystemer generelt - kan være nyttige til opbevaring af kvanteinformation.

Professor Eugene Polzik, hvem ledede indsatsen, siger, at:"Med denne nye teknik, vi er på vej til at rykke grænserne for mulighederne for sammenfiltring. Jo større objekter, jo længere fra hinanden de er, jo mere forskellige de er, jo mere interessante sammenfiltring bliver fra både fundamentale og anvendte perspektiver. Med det nye resultat, sammenfiltring mellem meget forskellige objekter er blevet mulig."

For at forstå sammenfiltring, holde sig til eksemplet med spins viklet ind i en mekanisk membran, forestil dig positionen af ​​den vibrerende membran og hældningen af ​​det samlede spin af alle atomer, beslægtet med en snurretop. Hvis begge objekter bevæger sig tilfældigt, men hvis det observeres at bevæge sig til højre eller venstre på samme tid, det kaldes en sammenhæng. En sådan korreleret bevægelse er normalt begrænset til den såkaldte nulpunktsbevægelse - den resterende, ukorreleret bevægelse af alt stof, der forekommer selv ved absolut nultemperatur. Dette begrænser viden om nogen af ​​systemerne.

I deres eksperiment, Eugene Polziks team viklede systemerne ind, hvilket betyder, at de bevæger sig på en korreleret måde med en præcision, der er bedre end nulpunktsbevægelsen. "Kvantemekanik er som et tveægget sværd - det giver os vidunderlige nye teknologier, men begrænser også præcisionen af ​​målinger, som ville virke let fra et klassisk synspunkt, " siger et teammedlem, Michał Parniak. Sammenfiltrede systemer kan forblive perfekt korrelerede, selvom de er i afstand fra hinanden - en funktion, der har undret forskere fra selve fødselen af ​​kvantemekanikken for mere end 100 år siden.

Ph.D. studerende Christoffer Østfeldt forklarer videre:"Forestil dig de forskellige måder at realisere kvantetilstande på som en slags zoologisk have af forskellige virkeligheder eller situationer med vidt forskellige kvaliteter og potentialer. Hvis, for eksempel, vi ønsker at bygge en enhed af en slags, for at udnytte de forskellige kvaliteter, de alle besidder, og hvor de udfører forskellige funktioner og løser en anden opgave, det bliver nødvendigt at opfinde et sprog, de alle er i stand til at tale. Kvantetilstandene skal være i stand til at kommunikere, for at vi kan udnytte enhedens fulde potentiale. Det er, hvad denne sammenfiltring mellem to elementer i zoologisk have vist, at vi nu er i stand til."

Et specifikt eksempel på perspektiver på sammenfiltring af forskellige kvanteobjekter er kvantesansning. Forskellige objekter har følsomhed over for forskellige ydre kræfter. For eksempel, mekaniske oscillatorer bruges som accelerometre og kraftsensorer, hvorimod atomare spins bruges i magnetometre. Når kun én af de to forskellige sammenfiltrede objekter er udsat for ekstern forstyrrelse, sammenfiltring gør det muligt at måle den med en følsomhed, der ikke er begrænset af objektets nulpunktsudsving.

Der er en ret umiddelbar mulighed for anvendelse af teknikken til sansning både for små og store oscillatorer. En af de største videnskabelige nyheder i de senere år var den første påvisning af tyngdekraftsbølger, lavet af Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO). LIGO registrerer og måler ekstremt svage bølger forårsaget af astronomiske begivenheder i det dybe rum, såsom sorte hul-fusioner eller neutronstjernefusioner. Bølgerne kan observeres, fordi de ryster interferometerets spejle. Men selv LIGOs følsomhed er begrænset af kvantemekanikken, fordi laserinterferometerets spejle også rystes af nulpunktsudsvingene. Disse udsving fører til støj, der forhindrer observation af den lille bevægelse af spejlene forårsaget af gravitationsbølger.

Det er, i princippet, muligt at generere sammenfiltring af LIGO-spejlene med en atomsky og dermed annullere spejlenes nulpunktsstøj på samme måde, som det gør for membranstøjen i nærværende eksperiment. Den perfekte korrelation mellem spejlene og de atomare spins på grund af deres sammenfiltring kan bruges i sådanne sensorer til praktisk talt at slette usikkerhed. Det kræver simpelthen at tage information fra det ene system og anvende viden til det andet. På en sådan måde, man kunne lære både om positionen og momentum af LIGOs spejle på samme tid, at gå ind i et såkaldt kvantemekanikfrit underrum og tage et skridt mod grænseløs præcision af bevægelsesmålinger. Et modeleksperiment, der demonstrerer dette princip, er på vej på Eugene Polziks laboratorium.