Исследование квантовой физики в макроскопическом масштабе

Почему квантовая механика так хорошо работает для микроскопических объектов, а макроскопические объекты описываются классической физикой? Этот вопрос беспокоил физиков с момента развития квантовой теории более 100 лет назад.

Исследователи из технологического университета Делфта и Венского университета разработали макроскопическую систему, которая показывает запутанность между механическими фононами и оптическими фотонами. Они проверили запутанность, используя тест Белла, один из самых убедительных и важных тестов, чтобы показать, что система ведет себя не классически.

С момента своего создания более 100 лет назад физики поняли, что квантовая теория может вступать в конфликт с некоторыми из основных аксиом классической физики. В частности, речь идет о том, можно ли обмениваться информацией быстрее, чем скорость света (так называемая «локальность»), и существуют ли физические величины независимо от того, соблюдаются они или нет (так называемый «реализм»).

Горячие дебаты между Эйнштейном и Нильсом Бором по этому конфликту аксиом в 1930-х годах начали многолетние исследования корреляций между квантовыми системами. Это явление, называемое квантовой запутанностью, быстро становится одним из ключевых предсказаний квантовой механики.

Работа Джона Белла в 1960-х годах открыла путь для экспериментальной проверки этих принципов, что добавило новые и захватывающие результаты в дискуссию. Однако большинство квантовых экспериментов, проведенных на сегодняшний день, имеют дело либо с одной, либо с относительно небольшим количеством частиц.

Квантовая корреляция

Команда ученых во главе с профессором Саймоном Граблахером из Технологического Университета Делфта вступила в совершенно новую шкалу квантовых измерений. Они создали устройство, которое дало корреляции между колебательным движением кремниевых оптомеханических осцилляторов, состоящих примерно из 10 миллиардов атомов, и оптическими модами.

Устройства охлаждались и затем зондировались лазерными импульсами. Специфические лазерные частоты способны взаимодействовать с устройствами, либо захватывая движение контролируемым образом, либо считывая его состояние. Всякий раз, когда это происходит, возникают корреляции между рассеянным светом и устройствами, которые позволяют точно предсказать поведение одного из них другим.

Чтобы проверить, действительно ли корреляции в их системе были квантовой механикой, а не классической физикой, они выполнили тест Белла. Две частицы были представлены на выбор: эксперимент был разработан таким образом, чтобы каждая из них могла быть зарегистрирована в одном из двух детекторов. Оба результата были одинаково вероятны, что делало невозможным предсказать результат для фотонов или фононов по отдельности. Однако, из-за корреляции между ними, фононы могут быть сделаны так, что они всегда дают соответствующий результат измерения фотонов. Примерно в 80 процентах случаев было обнаружено, что они ведут себя таким образом, что значительно выше классического порога Белла около 70 процентов.

Реальный тест Белла состоял в том, чтобы настроить некоторые экспериментальные параметры, которые влияют на две частицы по-разному и посмотреть, когда эта зависимость нарушается. Квантово-механически они могут поддерживать коррелированные результаты измерений намного дольше, чем классически разрешено. «Это самый тщательный тест массивного устройства, которое ведет себя квантово механически», — сказал профессор Граблахер.

Эти результаты предполагают, что квантовая механика распространяется вплоть до макроскопической области. Кроме того, устройство, созданное исследователями, может быть увеличено и улучшено. «Поскольку наш экспериментальный протокол не зависит от размера осциллятора, полученные результаты закладывают основу для возможности исследования границы между классической и квантовой физикой с произвольно большими объектами, даже видимыми невооруженным глазом» — говорят ученые.

Igor Marinković*, Andreas Wallucks*, Ralf Riedinger, Sungkun Hong, Markus Aspelmeyer, and Simon Gröblacher, An optomechanical Bell test, Phys. Rev. Lett. 121, 220404 (2018). doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.220404