Glavni Novice Znanstvenik je našel vrzel v Heisenbergovem načelu negotovosti

Znanstvenik je našel vrzel v Heisenbergovem načelu negotovosti

Utripi dveh majhnih aluminijastih bobnov so se zapletli, da so se znanstveniki lahko izognili načelu negotovosti

Utripi dveh majhnih aluminijastih bobnov so se zapletli, da so se znanstveniki lahko izognili načelu negotovosti (Zasluge za sliko: J. Teufel/NIST)

Kvantna mehanika je prinesla precejšen delež zaskrbljujočih razkritij, od ideje, da je objektivna resničnost iluzija, do spoznanja, da so lahko predmeti v dveh stanjih hkrati (tako mrtvi kot živi, ​​na primer). Tako nenavadno kvantno vedenje se ne konča, ko majhni predmeti postanejo veliki - samo naši čuti in naši instrumenti tega ne morejo zaznati. Zdaj sta dve ekipi fizikov z udarjanjem po dveh serijah majhnih bobnov dosegli obseg, na katerem lahko opazujemo kvantne učinke v makroskopsko področje.

Ugotovitve kažejo nenavaden kvantni učinek, imenovan 'prepletenost', v veliko večjem obsegu, kot smo ga videli doslej, ter opisujejo način uporabe tega učinka - ko delci ostanejo povezani drug z drugim, tudi če so ločeni z velikimi razdaljami - za izogibanje nadležni kvantni negotovosti . Po mnenju raziskovalcev bi to znanje lahko uporabili za raziskovanje kvantne gravitacije in načrtovanje kvantnih računalnikov z računskimi močmi, ki daleč presegajo klasične naprave.

Fiziki so se dolgo spraševali, v kakšnem obsegu se čudni kvantni pojavi umaknejo našemu bolj znanemu in predvidljivemu makroskopskemu svetu, predvsem zato, ker ni trdnega in hitrega pravila, ki bi pravilo, da bi takšni pojavi sploh morali - le postajajo vedno manj opazni, ko se stvari povečujejo.

Sorodno: 12 osupljivih eksperimentov kvantne fizike

Ali vsaj nekoč. Novi poskusi dveh ločenih skupin raziskovalcev so naredili preskok od opazovanja kvantna prepletenost med posameznimi atomi do opazovanja med mikronsko velikimi aluminijastimi membranami - ali bobni - iz približno 1 bilijona atomov vsak.

Najenostavneje, zapletenost opisuje zamisel, da imata lahko dva delca notranjo povezavo, ki obstaja ne glede na to, kako daleč sta drug od drugega. Delci so eterično povezani: izmerite nekaj o enem delcu, na primer njegov položaj, in zbrali boste tudi informacije o položaju njegovega zapletenega partnerja; naredite spremembo na enem delcu in vaša dejanja bodo teleportirala ustrezno spremembo na drugega, vse pri hitrostih, večjih od svetlobne hitrosti.

Znanstveniki so v prvem poskusu, ki je potekal na ameriškem nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo (NIST) v Boulderju v Koloradu, postavili majhne bobne, dolge približno 10 mikrometrov, na kristalni čip, preden so jih podhladili skoraj do absolutne ničle. Ko so bobni ohlajeni, so se možnosti za njihovo interakcijo z nečim zunaj sistema dramatično zmanjšale, kar je znanstvenikom omogočilo, da so bobne pregnali v zapleteno stanje in vibrirali sinhronizirano, ko so bili izpostavljeni rednim impulzom mikrovalov.

'Če analizirate podatke o položaju in zagonu za dva bobna neodvisno, sta oba preprosto videti vroča,' soavtor John Teufel, fizik pri NIST, je dejal v izjavi , ki se nanaša na dejstvo, da delci vibrirajo bolj, ko se segrejejo. Toda če jih pogledamo skupaj, lahko vidimo, da je tisto, kar je videti kot naključno gibanje enega bobna, močno povezano z drugim, na način, ki je mogoč samo prek kvantna prepletenost .'

Raziskovalci so izmerili obseg zapletenosti bobničev tako, da so opazovali, kako se ujemajo njihove amplitude – njihove največje razdalje od njihovih položajev mirovanja –, ko so nihali gor in dol za približno višino enega protona. Raziskovalci so videli, da so bobni vibrirali na zelo sinhroniziran način - ko je imel en boben visoko amplitudo, drugi nizko amplitudo, njuni hitrosti pa sta bili ravno nasprotni vrednosti.

'Če nimata korelacije in sta oba popolnoma hladna, bi lahko le ugibali povprečni položaj drugega bobna z negotovostjo polovice kvanta gibanja,' je dejal Teufal, ki se nanaša na diskretne dele ali kvante, ki jih kvantni objekti, kot je boben bo zavibriral. 'Ko so zapleteni, lahko delamo bolje, z manj negotovosti. Zaplet je edini način, da je to mogoče.« Zdi se, da sta dva velika vibrirajoča bobna dva ločena predmeta, vendar ju povezuje srhljiva kvantna prepletenost.

Raziskovalci NIST želijo uporabiti svoj sistem bobnov za gradnjo vozlišč ali omrežnih končnih točk v kvantnih omrežjih, poleg tega pa jih prilagoditi za težave, ki zahtevajo izjemno natančnost, kot je zaznavanje gravitacije, ko deluje na najmanjšem merilu.

Druga ekipa raziskovalcev, ki jo vodi Mika Sillanpää na Univerzi Aalto na Finskem, se je odločila uporabiti svoj sistem kvantnega bobna, da bi se izognila enemu najstrožjih pravil kvantne fizike – Heisenbergovemu principu negotovosti.

Načelo, ki ga je leta 1927 prvič uvedel nemški fizik Werner Heisenberg, postavlja trdno mejo absolutne natančnosti, ki jo lahko dosežemo pri merjenju nekaterih fizikalnih lastnosti delca. Vsebuje zamisel, da je vesolje na svoji najmanjši, najbolj temeljni ravni mehka in nepredvidljiva zver, ki nikoli ne dovoli, da bi bile znane popolne informacije o njem.

Na primer, ne morete z absolutno natančnostjo vedeti tako položaja delca kot njegovega zagona. Želite natančno vedeti, kje se nahaja elektron? Merite ga lahko večkrat, da pridobite nekaj gotovosti. Toda bolj ko to počnete, bolj komunicirate z njim in spreminjate njegov zagon. Enako se zgodi obratno. Gotovost v kvantnem svetu je kompromis - v kraljestvu, kjer predmeti obstajajo bolj kot oblaki verjetnosti, postajati bolj prepričan o eni od njihovih lastnosti pomeni postati manj prepričan o drugi.

Toda druga skupina raziskovalcev je našla način, kako se temu izogniti. Z neprekinjenim udarjanjem po kvantnem bobnu s fotoni ali svetlobnimi delci, kot bi v mali boben, so raziskovalci svoje bobne lahko uglasili v zapleteno stanje. Nato so raziskovalci, namesto da bi izmerili položaj in zagon vsakega posameznega bobniča, obravnavali zapletene bobniče, kot da bi bili en sam kombiniran bobnič, in izmerili položaj namišljenega bobniča, ne da bi vplivali na njegovo hitrost.

'Kvantna negotovost gibanja bobnov se izniči, če oba bobna obravnavamo kot eno kvantno-mehansko entiteto,' je vodilna avtorica Laure Mercier de Lepinay, podoktorska raziskovalka na univerzi Aalto na Finskem, je dejal v izjavi .

To odpira povsem nove možnosti za meritve na najmanjših lestvicah brez izgube kakršnih koli informacij, in glede na neprekinjen način izvajanja meritev za njihove nove kvantne senzorje za spremljanje nenehno razvijajočih se majhnih sistemov. Raziskovalci upajo, da bodo njihovi zapleteni bobni dovolj občutljivi za merjenje drobnih popačenj v vesolju, ki jih ustvarjajo gravitacijski valovi intemna snov, uporablja pa se tudi za povezovanje kvantnih omrežij, ki uporabljajo zapletene predmete podobno kot njihovi bobni kot releje.

Oba poskusa nas tudi soočita z resničnostjo naše bližine kvantnemu svetu, ki – kljub navidezno namišljenim miselnim eksperimentom, ki prikličejo napol mrtve, napol žive mačke – preteče v naš lastni na precej subtilnejše načine, kot si morda mislimo.

The prvi in drugo obe ekipi sta svoje ugotovitve objavili 7. maja v reviji Science.

Zanimivi Članki