Når lys og atomer deler en fælles stemning

Et særligt kontraintuitivt træk ved kvantemekanikken er, at en enkelt begivenhed kan eksistere i en tilstand af superposition - der sker både her og der, eller både i dag og i morgen.

Sådanne superpositioner er svære at skabe, da de ødelægges, hvis nogen form for information om sted og tidspunkt for begivenheden siver ud i omgivelserne - og selvom ingen faktisk registrerer disse oplysninger. Men når superpositioner opstår, de fører til observationer, der er meget forskellige fra klassisk fysik, rejser spørgsmål, der smitter af på selve vores forståelse af rum og tid.

Forskere fra EPFL, MIT, og CEA Saclay, udgivelse i Videnskabens fremskridt , demonstrere en vibrationstilstand, der eksisterer samtidigt på to forskellige tidspunkter, og give bevis for denne kvantesuperposition ved at måle den stærkeste klasse af kvantekorrelationer mellem lysstråler, der interagerer med vibrationen.

Forskerne brugte en meget kort laserpuls til at udløse et specifikt vibrationsmønster inde i en diamantkrystal. Hvert par af naboatomer svingede som to masser forbundet af en fjeder, og denne svingning var synkron over hele det belyste område. For at spare energi under denne proces, et lys af en ny farve udsendes, flyttet mod den røde del af spektret.

Dette klassiske billede, imidlertid, er ikke i overensstemmelse med forsøgene. I stedet, både lys og vibrationer skal beskrives som partikler, eller kvanta:lysenergi kvantiseres til diskrete fotoner, mens vibrationsenergi kvantificeres til diskrete fononer (opkaldt efter det oldgræske 'foto =lys' og 'phono =lyd').

Processen beskrevet ovenfor skal derfor ses som spaltningen af ​​en indkommende foton fra laseren til et par foton og fonon - beslægtet med nuklear fission af et atom i to mindre stykker.

Men det er ikke den eneste mangel ved klassisk fysik. I kvantemekanik, partikler kan eksistere i en superpositionstilstand, ligesom den berømte Schrödinger-kat er levende og død på samme tid.

Endnu mere kontraintuitivt:to partikler kan blive viklet ind, miste deres individualitet. Den eneste information, der kan indsamles om dem, vedrører deres fælles sammenhænge. Fordi begge partikler er beskrevet af en fælles tilstand (bølgefunktionen), disse sammenhænge er stærkere end hvad der er muligt i klassisk fysik. Det kan påvises ved at udføre passende målinger på de to partikler. Hvis resultaterne overtræder en klassisk grænse, man kan være sikker på, at de var viklet ind.

I den nye undersøgelse, EPFL-forskere formåede at vikle fotonen og fononen ind (dvs. lys og vibration) produceret i spaltningen af ​​en indkommende laserfoton inde i krystallen. For at gøre det, forskerne designede et eksperiment, hvor foton-fonon-parret kunne skabes på to forskellige tidspunkter. klassisk, det ville resultere i en situation, hvor parret oprettes på tidspunktet t1 med 50 % sandsynlighed, eller på et senere tidspunkt t2 med 50 % sandsynlighed.

Men her kommer det 'trick', som forskerne har spillet for at skabe en sammenfiltret tilstand. Ved en præcis opstilling af eksperimentet, de sikrede, at ikke engang det mindste spor af lys-vibrationsparrets skabelsestid (t1 vs. t2) var tilbage i universet. Med andre ord, de slettede information om t1 og t2. Kvantemekanikken forudsiger derefter, at fonon-foton-parret bliver viklet ind, og eksisterer i en superposition af tiden t1 og t2. Denne forudsigelse blev smukt bekræftet af målingerne, hvilket gav resultater, der var uforenelige med den klassiske sandsynlighedsteori.

Ved at vise sammenfiltring mellem lys og vibration i en krystal, som man kunne holde i fingeren under eksperimentet, det nye studie skaber bro mellem vores daglige oplevelse og kvantemekanikkens fascinerende verden.

"Kvanteteknologier er bebudet som den næste teknologiske revolution inden for databehandling, meddelelse, sansning, siger Christophe Galland, leder af Laboratoriet for Kvante- og Nanooptik ved EPFL og en af ​​undersøgelsens hovedforfattere. "De er i øjeblikket ved at blive udviklet af topuniversiteter og store virksomheder verden over, men udfordringen er skræmmende. Sådanne teknologier er afhængige af meget skrøbelige kvanteeffekter, der kun overlever ved ekstremt kolde temperaturer eller under højvakuum. Vores undersøgelse viser, at selv et almindeligt materiale ved omgivende forhold kan opretholde de delikate kvanteegenskaber, der kræves til kvanteteknologier. Der er en pris at betale, dog:kvantekorrelationerne, der opretholdes af atomare vibrationer i krystallen, går tabt efter kun 4 picosekunder - dvs. 0,00000000004 af et sekund! Denne korte tidsskala er, imidlertid, også en mulighed for at udvikle ultrahurtige kvanteteknologier. Men meget forskning ligger forude for at transformere vores eksperiment til en nyttig enhed - et job for fremtidige kvanteingeniører."