A „lebegő” nanorészecskék kitágíthatják a kvantumösszefonódás határait


A lézersugarakban szuszpendált üvegrészecskék kölcsönhatásba hozhatók (művészi benyomás).hitel: Equinox Graphics Ltd.

A fizikusok apró üveggömböket függesztettek fel vákuumban, és lehetővé tették, hogy közelről kölcsönhatásba lépjenek egymással. A „lebegő” nanorészecskéket mára kellő pontossággal manipulálták ahhoz, hogy új utakat tárjanak fel a mindennapi világ és az atomméretű objektumokat irányító, ellentmondó kvantumfizika közötti rejtélyes alkonyi zóna vizsgálatára.

“Ez minden bizonnyal fontos mérföldkő, amely új lehetőségeket nyit meg” – mondta Romain Quidant, a zürichi Svájci Szövetségi Technológiai Intézet (ETH) hasonló kísérleteit végző fizikus. Az eredményeket augusztus 25-én tették közzé Tudomány1. A lebegő részecskék egy napon platformként szolgálhatnak a kvantumszámítógépek számára, vagy megnyithatják az utat a rendkívül érzékeny mérőberendezések számára.

Lézeres levitáció

Az elmúlt évtizedben a fizikusok számos technikát elsajátítottak a vírusszemcseméretű – néhány száz nanométer átmérőjű – objektumok vákuumban történő manipulálására, különösen a lézerfény által kifejtett enyhe nyomás használatával.

2020-ban Uroš Delić, a Bécsi Egyetem munkatársa és munkatársai megdöbbentették a fizikus közösséget, amikor lelassították a részecskék tömegközéppontját a fizikusok által kvantum alapállapotnak nevezett állapotra, mintha a részecskék olyan hidegek lennének, amennyire csak tudnak.2. Az alapállapot elérése az első lépés a kvantum viselkedés elérése és manipulálása felé, amely általában csak szubatomi léptékben érhető el, és amelyhez az objektumokat abszolút nulla közeli értékre kell hűteni. Noha tömegközéppontjaik az alapállapotban voltak, a részecskék egyébként melegek maradtak, termikusan rezegtek és maguktól forogtak.

Lia Li fizikus felidézi a közösség izgalmát, amikor Markus Aspelmeyer, a Bécsi Egyetem fizikusa, a tanulmány vezető szerzője egy konferencián számolt be a kvantum alapállapotról, majd elhelyezett egy előnyomatot az arXiv szerveren. „Az emberek dühösek voltak” – mondta Li, az egyesült királyságbeli bristoli Zero Point Motion mérnöki cég vezérigazgatója. Egy maroknyi labor rohant megismételni az eredményeket – és néhányan sikeresek is voltak.

Egyes fizikusok, köztük Giorgio Gratta, a kaliforniai Stanford Egyetemről, valamivel nagyobb részecskékkel dolgoznak – egy mikrométer vagy több –, amelyek elegendő tömeggel rendelkeznek ahhoz, hogy észrevehető gravitációs erőt fejtsenek ki. “Az elsődleges ötlet az, hogy új kölcsönhatásokat keressenek a mikroskálán, vagy a newtoni gravitációtól való eltéréseket” – mondja.

kettesével

Az utolsó cikkben Delić, Aspelmeyer és munkatársaik megtették az első lépést több lebegő részecskével való zsonglőrködés érdekében. Egy lézert egy folyadékkristály panelről egy vákuumkamrába vertek, és a sugarat kettéosztották. Ezután 200 nanométer széles üveggömböket fecskendeztek be a kamrába ultrahangos porlasztó segítségével, hasonlóan az asztma kezelésére használt eszközökhöz, amíg a két lézersugár fókuszpontjában egy nanogömb nem került fel.

Ez az “optikai levitációs” technika azért működik, mert a lézer elektromos mezőinek gyors oszcillációi miatt az elektromos töltések ugyanolyan gyorsan jelennek meg az egyes nanogömbök ellentétes végén, mint egy rúdmágnes pólusain. Ez a polarizáció olyan erőt hoz létre, amely a részecskéket azon területek felé tolja, ahol a legintenzívebb a fény – ebben az esetben a lézersugár fókuszpontja felé.

Mivel a polarizáció gyorsan előre-hátra ugrik, úgy működik, mint az elektromos áram az antennában, amely elektromágneses hullámokat bocsát ki – magyarázza Benjamin Stickler társszerző, a németországi Duisburg-Essen Egyetem elméleti fizikusa. – Mivel gyorsított töltései vannak, ez sugárzást bocsát ki. A folyadékkristály panelek beállításával a kutatóknak sikerült közelebb hozniuk egymáshoz a két fókuszpontot. Néhány mikrométer távolságban a részecskék elkezdték érzékelni egymás hullámait, és a kutatók képesek voltak együtt rezgésbe hozni őket, mint a rugók sorozatával összekapcsolt tömegeket.

A lézer hangolása lehetővé tette a csapat számára, hogy kiküszöbölje az egyik részecske által a másikra kifejtett erőt anélkül, hogy megszüntette volna a második részecske ellentétes erejét. Ez olyan „mesterséges” természeti törvényeket hozott létre, amelyek mintha megsértették Isaac Newton harmadik törvényét – miszerint minden cselekvésre egyenlő és ellentétes reakció jár.

Kvantum ugrás

Stickler szerint a következő feladat az lesz, hogy a lézerfénnyel mindkét részecskét kvantum-alapállapotukig lehűtjük. Ezen a ponton lehetségessé válhat a részecskék kvantum-összefonódás állapotába hozása, ami azt jelenti, hogy egyes mérhető tulajdonságaik – jelen esetben helyzetük – erősebben korrelálnak, mint azt a klasszikus, nem kvantum törvényei megengednék. fizika.

Az összefonódás a kvantum viselkedés sajátossága, általában csak szubatomi léptékekben figyelhető meg. A fizikusok régóta vitáznak arról, hogy a makroszkopikus objektumokat saját törvényeik szabályozzák, vagy a kvantumhatásokat egyszerűen túl nehéz megfigyelni ilyen léptékeken. Számos kísérleti erőfeszítés vizsgálja ezt a kérdést a kvantumviselkedés egyre szélesebb körű bemutatásával. Tavaly két csapat egymástól függetlenül, összegabalyodott állapotba helyezett pár mikrométeres méretű dobot – ez volt az első alkalom, amikor ezt makroszkopikus objektumoknál tették meg.

A kutatók szerint azonban az ilyen “befogott” tárgyaknak korlátai vannak: fizikailag csatlakoznak egy eszközhöz, ami megnehezíti a kényes kvantumállapotok megzavarását. Ezt szem előtt tartva Peter Zoller, az ausztriai Innsbrucki Egyetem elméleti fizikusa és mások először 2010-ben javasolták a szuszpendált nanorészecskék kvantumkísérletekhez való alkalmazását.35. “Még azt is gondolhatja, hogy a nanorészecske egy kis számítógép, amelyet lézerfénnyel vezérelhet és mozgathat” – mondja Zoller.

A levitációs technika másik előnye, hogy ugyanolyan jól kell működnie kettőnél több részecske befogására, teszi hozzá Stickler. Zoller egyetért. “Azonnal sokkal nagyobb számra méretezhető” – mondja.

Egyedi atomokra vagy ionokra alkalmazva a levitáció és a lézerhűtés „olyan, mint egy titkos szósz a kvantumszámítógépekben” – mondja Zoller. Ugyanez történhet a nanorészecskékkel is.

Leave a Comment

%d bloggers like this: