Forskere producerer stråler af sammenfiltrede atomer

Hoveder eller haler? Hvis vi kaster to mønter op i luften, resultatet af det ene møntkast har intet at gøre med resultatet af det andet. Mønter er selvstændige objekter. I kvantefysikkens verden, ting er anderledes:kvantepartikler kan vikles ind, i hvilket tilfælde de ikke længere kan betragtes som selvstændige individuelle objekter, de kan kun beskrives som ét fælles system.

Årevis, det har været muligt at producere sammenfiltrede fotoner - par af lyspartikler, der bevæger sig i helt forskellige retninger, men som stadig hører sammen. Der er opnået spektakulære resultater, for eksempel inden for kvanteteleportation eller kvantekryptografi. Nu, en ny metode er blevet udviklet på TU Wien (Wien) til at producere sammenfiltrede atompar - og ikke kun atomer, der udsendes i alle retninger, men veldefinerede bjælker. Dette blev opnået ved hjælp af ultrakolde atomskyer i elektromagnetiske fælder.

Sammenfiltrede partikler

"Kvantesammenfiltring er et af de væsentlige elementer i kvantefysikken, " siger prof. Jörg Schmiedmayer fra Institut for Atom- og Subatomisk Fysik ved TU Wien. "Hvis partikler er viklet ind i hinanden, så selvom du ved alt, hvad der er at vide om det samlede system, du kan stadig ikke sige noget som helst om en bestemt partikel. At spørge om tilstanden af ​​en bestemt partikel giver ingen mening, kun den overordnede tilstand af det samlede system er defineret."

Der er forskellige metoder til at skabe kvantesammenfiltring. For eksempel, specielle krystaller kan bruges til at skabe par af sammenfiltrede fotoner:en foton med høj energi omdannes af krystallen til to fotoner med lavere energi - dette kaldes "nedkonvertering". Dette gør det muligt at producere et stort antal sammenfiltrede fotonpar hurtigt og nemt.

Sammenfiltring af atomer, imidlertid, er meget sværere. Individuelle atomer kan sammenfiltres ved hjælp af komplicerede laseroperationer - men så får du kun et enkelt par atomer. Tilfældige processer kan også bruges til at skabe kvantesammenfiltring:hvis to partikler interagerer med hinanden på en passende måde, de kan vise sig at blive viklet ind bagefter. Molekyler kan brydes op, skabe sammenfiltrede fragmenter. Men disse metoder kan ikke kontrolleres. "I dette tilfælde, partiklerne bevæger sig i tilfældige retninger. Men når du laver eksperimenter, du vil være i stand til at bestemme præcis, hvor atomerne bevæger sig, " siger Jörg Schmiedmayer.

Tvillingeparret

Kontrollerede tvillingepar kunne nu produceres på TU Wien med et nyt trick:en sky af ultrakolde atomer skabes og holdes på plads af elektromagnetiske kræfter på en lille chip. "Vi manipulerer disse atomer, så de ikke ender i tilstanden med den lavest mulige energi, men i en tilstand af højere energi, " siger Schmiedmayer. Fra denne ophidsede tilstand, atomerne vender derefter spontant tilbage til grundtilstanden med den laveste energi.

Imidlertid, den elektromagnetiske fælde er konstrueret på en sådan måde, at denne tilbagevenden til grundtilstanden er fysisk umulig for et enkelt atom - dette ville krænke bevarelsen af ​​momentum. Atomerne kan derfor kun overføres til grundtilstanden som par og flyve væk i modsatte retninger, så deres samlede momentum forbliver nul. Dette skaber tvillingeatomer, der bevæger sig nøjagtigt i den retning, der er specificeret af geometrien af ​​den elektromagnetiske fælde på chippen.

Dobbeltspalteeksperimentet

Fælden består af to aflange, parallelle bølgeledere. Parret af tvillingeatomer kan være blevet skabt i venstre eller højre bølgeleder - eller, som kvantefysikken tillader, i begge samtidigt. "Det er ligesom det velkendte dobbeltspalte-eksperiment, hvor du skyder en partikel mod en væg med to spalter, " siger Jörg Schmiedmayer. "Partiklerne kan passere gennem både venstre og højre spalte på samme tid, bag hvilken den griber ind i sig selv, og dette skaber bølgemønstre, der kan måles."

Det samme princip kan bruges til at bevise, at tvillingeatomerne faktisk er sammenfiltrede partikler:kun hvis du måler hele systemet - dvs. begge atomer på samme tid - kan du opdage de bølgelignende superpositioner, der er typiske for kvantefænomener. Hvis, på den anden side, du begrænser dig til en enkelt partikel, bølgeoverlejringen forsvinder fuldstændigt.

"Dette viser os, at det i dette tilfælde ikke giver nogen mening at se på partiklerne individuelt, " forklarer Jörg Schmiedmayer. "I dobbeltspalte-eksperimentet, superpositionerne forsvinder, så snart man måler, om partiklen går gennem venstre eller højre spalte. Så snart disse oplysninger er tilgængelige, kvantesuperpositionen ødelægges. Det ligner meget her:hvis atomerne er viklet ind, og du kun måler et af dem, du kunne teoretisk set stadig bruge det andet atom til at måle, om de begge stammer fra venstre eller højre del af fælden. Derfor, kvantesuperpositionerne er ødelagt."

Nu hvor det er blevet bevist, at ultrakolde atomskyer faktisk kan bruges til pålideligt at producere sammenfiltrede tvillingeatomer på denne måde, yderligere kvanteforsøg skal udføres med disse atompar - svarende til dem, der allerede har været mulige med fotonpar.