Naukowości znaleźli lukę w zasadzie nieoznaczoności Heisenberga

Mechanika kwantowa wniosła sporo niepokojących rewelacji, od idei, że obiektywna rzeczywistość jest iluzją, do uświadomienia sobie, że obiekty mogą znajdować się w dwóch stanach naraz (na przykład martwych i żywych). Takie dziwaczne kwantowe zachowanie nie kończy się, gdy małe obiekty stają się duże – po prostu nasze zmysły i nasze instrumenty nie są w stanie tego wykryć. Teraz, uderzając w dwa zestawy maleńkich bębenków, dwa zespoły fizyków umożliwiły obserwację efektów kwantowych w makroskopowej skali.

Odkrycia pokazują dziwny efekt kwantowy zwany „splątaniem” na znacznie większą skalę niż wcześniej obserwowano, a także naukowcy opisali sposób wykorzystania tego efektu – gdy cząstki pozostają ze sobą połączone, nawet jeśli są oddzielone dużymi odległościami – który umożliwia uniknięcia kwantowej nieoznaczoności [ang. quantum uncertainty]. Zdaniem naukowców wiedza ta mogłaby posłużyć do badania grawitacji kwantowej i projektowania komputerów kwantowych o mocach obliczeniowych znacznie przekraczających klasyczne urządzenia.

Fizycy od dawna zastanawiali się, w jakiej skali dziwne zjawiska kwantowe ustępują miejsca naszemu bardziej znanemu i przewidywalnemu światowi makroskopowemu, głównie dlatego, że nie ma twardej i sztywnej reguły, która mówi, że tak powinno być – po prostu stają się coraz mniej zauważalne w miarę wzrostu skali.

W ramach nowych eksperymentów dwa oddzielne zespoły naukowców dokonały przejścia od obserwacji splątania kwantowego między pojedynczymi atomami do obserwacji splątania między mikronowymi membranami aluminiowymi – lub „bębenki” – zbudowanymi z około 1 biliona atomów każda.

W najprostszym ujęciu splątanie opisuje ideę, że dwie cząstki mogą mieć wewnętrzne połączenie, które utrzymuje się bez względu na to, jak daleko od siebie są. Cząsteczki są eterycznie połączone: np.: zmierz położenie jednej cząstki, a uzyskasz informacje o położeniu jej splątanego partnera; dokonaj zmiany w jednej cząstce, a twoje działania teleportują odpowiednią zmianę do drugiej, wszystko z prędkością większą niż prędkość światła.

Naukowcy w pierwszym eksperymencie, który odbył się w amerykańskim Narodowym Instytucie Standardów i Technologii (NIST) w Boulder w Kolorado, umieścili małe bębenki, każdy o długości około 10 mikrometrów, na kryształowym chipie, po czym schłodzili je do niemal zera absolutnego. Szanse schłodzonych bębenków na ich interakcję z czymś znajdującym się poza systemem zostały dramatycznie zmniejszone, umożliwiając naukowcom doprowadzenie bębenków do stanu splątania, wibrujących synchronicznie, gdy uderzały w nie regularne impulsy mikrofal.

„Jeśli przeanalizować dane dotyczące położenia i pędu dla dwóch bębenków niezależnie, każdy z nich po prostu reaguje na ciepło”, współautor John Teufel, fizyk w NIST, powiedział w oświadczeniu, odnosząc się do faktu, że cząstki wibrują bardziej, im cieplejsze się stają. „Ale patrząc na nie razem, widzimy, że to, co wygląda jak przypadkowy ruch jednego bębna, jest silnie skorelowane z drugim w sposób, który jest możliwy tylko dzięki splątaniu kwantowemu”.

Naukowcy zmierzyli stopień splątania bębenków, sprawdzając, jak dopasowane były ich amplitudy – ich maksymalne odległości od pozycji spoczynkowych – gdy kołysały się w górę i w dół mniej więcej o wysokość pojedynczego protonu. Naukowcy zauważyli, że bębenki wibrowały w sposób wysoce zsynchronizowany – gdy jeden bęben miał dużą amplitudę, drugi miał niską, a ich prędkości były dokładnie przeciwne.

Naukowcy z NIST chcą wykorzystać swój “system bębenkowy” do budowy węzłów lub punktów końcowych sieci w sieciach kwantowych, a także dostosować je do badań, które wymagają bezprecedensowych poziomów precyzji, takich jak wykrywanie grawitacji działającej w najmniejszej skali.

Drugi zespół naukowców, kierowany przez Mika Sillanpää z Uniwersytetu Aalto w Finlandii, postanowił wykorzystać własny system bębenków kwantowych, aby ominąć jedną z najsurowszych reguł fizyki kwantowej – zasadę nieoznaczoności Heisenberga [uncertainty principle].

Zasada ta, po raz pierwszy wprowadzona przez niemieckiego fizyka Wernera Heisenberga w 1927 r., wyznacza sztywną granicę absolutnej dokładności, jaką możemy uzyskać, mierząc niektóre właściwości fizyczne cząstki. Zasada ta ustanawia ideę, że na swoim najmniejszym, najbardziej podstawowym poziomie wszechświat jest rozmyty i nieprzewidywalny i nigdy nie zdobędziemy pełnej informacji na jego temat.

Na przykład nie można poznać zarówno położenia cząstki, jak i jej pędu z absolutną dokładnością. Chcesz wiedzieć dokładnie, gdzie znajduje się elektron? Możesz to wielokrotnie mierzyć, aby uzyskać pewną pewność. Ale im częściej to robisz, tym bardziej wchodzisz z nim w interakcje, zmieniając jego pęd. Pewność w świecie kwantowym jest kompromisem – w sferze, w której obiekty istnieją bardziej jako chmury prawdopodobieństw, uzyskanie większej pewności co do jednej właściwości jednego z obiektów oznacza zmniejszenie pewności co do innego obiektu.

Ale drugi zespół naukowców znalazł sposób na obejście tej zasady. Uderzając w bębenki kwantowy w sposób ciągły fotonami (cząstkami światła), naukowcy byli w stanie dostroić bębenki do stanu splątania. Następnie, zamiast mierzyć pozycję i pęd każdego pojedynczego bębenka, naukowcy potraktowali splątane bębenki tak, jakby były pojedynczym, połączonym bębenkiem i zmierzyli wyimaginowaną pozycję bębenka bez wpływu na jego prędkość.

„Kwantowa nieoznaczoność ruchu bębenków zostaje anulowana, jeśli dwa bębenki są traktowane jako jedna kwantowo-mechaniczna jednostka” – powiedział w oświadczeniu główny autor Laure Mercier de Lepinay, badacz z tytułem doktora na Uniwersytecie Aalto w Finlandii .

Otwiera to zupełnie nowy zakres możliwości wykonywania pomiarów w najmniejszych skalach bez utraty jakichkolwiek informacji. Naukowcy mają nadzieję, że ich splątane bębenki będą wystarczająco czułe, aby zmierzyć drobne zniekształcenia w przestrzeni stworzone przez fale grawitacyjne i ciemną materię, a także zostaną użyte do połączenia ze sobą sieci kwantowych, które wykorzystują splątane obiekty podobnie jak bębenki jako przekaźniki.

Pierwszy i drugi zespół opublikował swoje odkrycia 7 maja w czasopiśmie Science.

Źródło: Ben Turner

NIST Team Directs and Measures Quantum Drum Duet

Evading the uncertainty principle in quantum physics

Zdjęcie: J. Teufel/NIST
Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x