Физики связали левитирующий кусочек стекла со светом при комнатной температуре

Фото из открытых источников

В том, что можно назвать самой крошечной в мире дискотекой, физики настолько тесно переплели свойства зерна со свойствами света, что одно нельзя было описать, не включив в описание другое.

Это квантовая запутанность — и этот эксперимент знаменует собой первую демонстрацию устойчивой запутанности между движением левитирующего объекта и светом, распространяющимся от него, и всё это без криогенного охлаждения аппарата.

По словам исследователей, это важный шаг, который может открыть новые возможности для квантовой связи и проверки теорий квантовой физики. Результаты нового исследования опубликованы в журнале Science.

«Меня всегда завораживала возможность наблюдения квантовых эффектов в макроскопических системах, что особенно заметно в экспериментах по квантовой оптомеханике», — говорит Франческо Марин из Флорентийского университета в Италии.

Он и его коллеги уже продемонстрировали, что могут использовать свет для охлаждения движения левитирующей стеклянной наносферы, переводя её в странную область, где начинают играть важную роль квантовые эффекты.

«Моей следующей целью было довести взаимодействие света и движения наносферы до точки, позволяющей генерировать квантовую запутанность — пожалуй, самое определяющее и противоречащее интуиции явление в квантовой механике», — сказал Марин.

Квантово-запутанность — одно из самых странных следствий квантовой механики, при котором свойства двух объектов становятся настолько сильно коррелированными, что их уже нельзя полностью описать независимо друг от друга.

Физики неоднократно демонстрировали это на примере мельчайших частиц, населяющих квантовую область, — например, фотонов и атомов.

Даже в таком масштабе тонкие корреляции квантовой запутанности легко нарушаются взаимодействием с окружающей средой. И чем больше и сложнее объект, тем труднее сохранить его квантовое поведение в неизменном виде.

Марин и его команда хотели выяснить, можно ли вызвать квантовую запутанность в крошечной стеклянной бусинке. Для нас эта точка была бы совершенно незаметна — ее размер составлял всего 100 нанометров, что примерно соответствует размеру вируса.

Однако по сравнению с квантовой реальностью эта наночастица представляла бы собой колосс, содержащий десятки миллионов атомов.

Квантовое поведение, которое интересовало исследователей, не затрагивало бы какой-либо из этих атомов, а было бы связано с движением центра масс всей сферы.

А для поддержания изоляции, необходимой для квантового поведения, сфера ни к чему не была прикреплена.

Наночастица удерживалась в левитирующем лазерном луче, называемом оптическим пинцетом, который использует силу света — давление излучения — для удержания наночастицы в воздухе и между двумя противоположными зеркалами, образующими оптический резонатор, позволяя ей при этом колебаться вокруг своего положения равновесия.

Это было сделано в камере, работающей практически в вакууме, что изолировало движение сферы от внешних воздействий, которые в противном случае могли бы стереть хрупкое квантовое поведение. Первый пункт выполнен.

Однако создание запутанности оказалось бы гораздо более сложной задачей.

Чтобы перевести наносферу в квантовый режим, исследователям нужен был свет, который охлаждал бы и стабилизировал её движение. Однако свет, необходимый для генерации квантовой запутанности, действовал наоборот: он нагревал движение сферы и в конечном итоге дестабилизировал её.

Исследователям необходимо было отделить задачу охлаждения сферы от задачи ее взаимодействия со светом.

«Решение заключалось в том, чтобы разделить эти два явления, используя два разных лазера — один с красной расстройкой, а другой с синей расстройкой относительно различных резонансов оптического резонатора — и объединить их в единый двухцветный пинцет», — объяснил Марин.

Два отдельных лазера разделили задачи. Красный, смещенный по частоте свет охлаждал и стабилизировал крошечные колебания сферы, приближая ее движение к квантовому основному состоянию. Синий, смещенный по частоте свет, мог затем заняться главным делом: запутыванием этого движения со светом.

Более конкретно, запутанность связывала положение и импульс сферы, колеблющейся внутри ловушки, со свойствами света, называемыми квадратурами, которые аналогичны его амплитуде и фазе.

«Квантовая запутанность означает, что квантовые флуктуации этих двух систем больше нельзя описать независимо друг от друга», — сказал Марин. «Полного квантового описания «сферы» и «света» по отдельности больше не существует. Измерение световых квадратур каким-то образом изменяет состояние наносферы. Подходящим описанием является совместное состояние механического движения и электромагнитного поля».

Важно отметить, что для этого не требовалось охлаждать весь аппарат до криогенных температур, как это часто бывает в экспериментах по квантовой оптомеханике.

Охлаждение лазеров происходило только за счет движения сферы, а левитация и почти вакуумная среда защищали это охлажденное движение от внешних воздействий.

«Таким образом, окружающая лаборатория находится при комнатной температуре, но конкретная механическая степень свободы, которую мы изучаем, подготовлена при гораздо более низкой эффективной температуре», — пояснил Марин. «Сочетание левитации, высокого вакуума и оптического охлаждения позволяет квантовым корреляциям развиваться до того, как их разрушит нагревание окружающей среды».

Но создание квантовой запутанности — это только половина дела. Другая половина заключается в доказательстве того, что корреляции действительно имеют квантовую природу, а не являются чем-то, созданным классической физикой.

И именно здесь эксперимент демонстрирует свою остроумность – потому что эти данные были получены из света, распространяющегося от сферы.

По мере того, как сфера колебалась внутри оптического резонатора, информация о её движении кодировалась в свете.

Измеряя свет, выходящий из полости, исследователи смогли восстановить корреляции между положением и импульсом сферы и квадратурами света.

Квантовая механика устанавливает пороговое значение для различения запутанных систем от разделимых. Когда команда восстановила полную картину корреляций, их измерения пересекли это пороговое значение и остались в запутанной области даже после того, как исследователи учли экспериментальные неопределенности и изменили допущения, использованные в их анализе.

«Именно это дает нам уверенность в том, что наблюдаемые нами корреляции действительно носят квантовый характер и соответствуют запутанности между движением наносферы и светом», — сказал Марин.

Однако результат не был очевиден внезапной вспышкой на экране. Эксперимент должен был продолжаться несколько часов, пока в камере не было достигнуто достаточно низкое давление, при этом три лазерные системы оставались стабильными на протяжении всего времени.

Даже после начала сбора данных доказательства накапливались медленно.

«После оптимизации метода анализа мы обрабатываем все более крупные наборы данных, и постепенно наличие запутанности становится статистически значимым», — сказал Марин. «Это момент облегчения… мы понимаем, что добились своего».

Однако особую ценность полученному результату придает то, что произошло с запутанным светом дальше: он исчез.

В отличие от самой стеклянной бусины, квантовые корреляции не ограничивались светом, захваченным между зеркалами оптического резонатора. Они сохранялись в свете, распространяющемся от наносферы, превращая его в нечто, что, по крайней мере в принципе, могло бы передавать эти корреляции в другое место.

«Поле, существующее только внутри полости, трудно использовать в качестве квантового ресурса где-либо еще. Однако как только свет покидает полость, он становится движущейся квантовой системой. В принципе, его можно передавать по оптической сети, измерять в другом месте или заставлять взаимодействовать с другим квантовым устройством», — объяснил Марин. «Распространяющееся поле по сути является каналом, который может соединить механическую систему с внешним миром».

Однако, прежде чем это станет достижимым, предстоит еще многое сделать.

Исследователям необходимо усилить квантовую запутанность и научиться динамически управлять ею, а не просто наблюдать за стационарным состоянием — шаги, которые в конечном итоге могут позволить записывать, хранить и извлекать квантовую информацию из механического осциллятора.

Но фундаментальный интерфейс, на основе которого можно строить дальнейшую работу, уже создан и готов к использованию.

«Следующая задача — превратить этот интерфейс из наблюдаемого нами в нечто, что мы можем активно использовать, — сказал Марин, — и в конечном итоге соединить несколько таких интерфейсов — несколько наносфер в разных оптических пинцетах — в более крупную квантовую систему».