Квантовая запутанность между большими удаленными объектами

Группе исследователей из Института Нильса Бора Копенгагенского университета удалось запутать два совершенно разных квантовых объекта. Результат имеет несколько потенциальных применений в сверхточном зондировании и квантовой коммуникации и опубликован в журнале Nature Physics.

Запутанность — это основа квантовой коммуникации и квантового восприятия. Ее можно понимать как квантовую связь между двумя объектами, которая заставляет их вести себя как единый квантовый объект.

Исследователям удалось запутать механический осциллятор — вибрирующую диэлектрическую мембрану — и облако атомов, каждый из которых действует как крошечный магнит, или то, что физики называют «спином».

Эти очень разные сущности можно было запутать, соединив их с фотонами, частицами света. Атомы могут быть полезны при обработке квантовой информации, а мембраны — или механические квантовые системы в целом — могут быть полезны для хранения квантовой информации.

Профессор Юджин Пользик, возглавлявший эту работу, заявляет: «С помощью этой новой техники мы находимся на пути к расширению границ возможностей запутывания. Чем больше объекты, чем дальше они друг от друга, тем более разрозненными они являются, тем более интересным становится запутывание как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Благодаря новому результату стало возможным запутывание между очень разными объектами».

Чтобы понять запутанность, придерживаясь примера спинов, запутанных в механической мембране, представьте положение вибрирующей мембраны и наклон общего спина всех атомов, как у волчка. Если оба объекта перемещаются случайным образом, но если наблюдается одновременное движение вправо или влево, это называется корреляцией.

Такое коррелированное движение обычно ограничивается так называемым движением нулевой точки — остаточным, некоррелированным движением всей материи, которое происходит даже при абсолютном нуле температуры. Это ограничивает знания о любой из систем.

В своем эксперименте команда Юджина Пользика запутала системы, что означает, что они движутся коррелированным образом с точностью лучше, чем движение нулевой точки.

«Квантовая механика похожа на палку о двух концах — она ​​дает нам прекрасные новые технологии, но также ограничивает точность измерений, которая с классической точки зрения может показаться простой», — говорят ученые. Запутанные системы могут оставаться полностью коррелированными, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга — особенность, которая озадачивала исследователей с самого рождения квантовой механики более 100 лет назад.

Конкретный пример перспектив запутывания различных квантовых объектов — квантовое зондирование. Разные объекты обладают чувствительностью к разным внешним силам. Например, механические осцилляторы используются в качестве акселерометров и датчиков силы, тогда как атомные спины используются в магнитометрах. Когда только один из двух различных запутанных объектов подвергается внешнему возмущению, запутанность позволяет измерить ее с чувствительностью, не ограниченной колебаниями нулевой точки объекта.

Существует довольно непосредственная возможность применения этой техники. Одной из самых больших научных новостей за последние годы стало обнаружение гравитационных волн, сделанное лазерной интерферометрической обсерваторией гравитационных волн (LIGO).

LIGO обнаруживает и измеряет чрезвычайно слабые волны, вызванные астрономическими событиями в глубоком космосе, такими как слияние черных дыр или слияние нейтронных звезд. Волны можно фиксировать, потому что они влияют на зеркала интерферометра. Но даже чувствительность LIGO ограничена квантовой механикой, потому что зеркала лазерного интерферометра также сотрясаются флуктуациями нулевой точки. Эти колебания приводят к шуму, мешающему наблюдать крошечное движение зеркал, вызванное гравитационными волнами.

В принципе, возможно создать сцепление зеркал LIGO с атомным облаком и, таким образом, подавить нулевой шум зеркал таким же образом, как это происходит для мембранного шума в данном эксперименте. Идеальная корреляция между зеркалами и атомными спинами из-за их сцепления может быть использована в таких датчиках, чтобы практически стереть неопределенность.

Для этого просто требуется взять информацию из одной системы и применить ее к другой. Таким образом, можно было узнать как о положении, так и об импульсе зеркал LIGO одновременно, войдя в так называемое квантово-механическое подпространство и сделав шаг к безграничной точности измерений движения.

Rodrigo A. Thomas et al. Entanglement between distant macroscopic mechanical and spin systems, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-1031-5