Стан вібрації, який існує одночасно у два різні часи

 Квантова механіка має захоплюючу особливість: окрема подія може існувати в стані суперпозиції - відбувається як там, так і там, або обох сьогодні і завтра.

Створити таку суперпозицію досить складно, оскільки їх легко зруйнувати, якщо якась інформація про місце події та час потрапляє в оточення - і навіть якщо ніхто не записує цю інформацію. Після створення суперпозиції вони ведуть до спостережень, які дуже відрізняються від тих, що існують у класичній фізиці, ставлячи під сумнів саме наше розуміння простору і часу.

• 120 років тому народилася квантова механіка

Нещодавно вчені з EPFL, MIT та CEA Saclay демонструють стан вібрації одночасно у два різні часи. Вони підтверджують цю квантову суперпозицію, вимірюючи найсильніший клас квантових кореляцій між світловими променями, які взаємодіють з вібрацією.

Використовуючи дуже короткий лазерний імпульс, вчені спрацювали специфічну вібрацію всередині кристала алмазу. Потім вони коливали пару сусідніх атомів, як дві маси, пов’язані пружиною. Це коливання було синхронним по всій освітленій області.

Під час процесу випромінювалося світло нового кольору для економії енергії.

Однак ця класична картина суперечить експериментам. Натомість як світло, так і вібрацію слід описувати як частинки, або кванти: енергія світла квантується в дискретні фотони. На відміну від них, вібраційна енергія квантується в дискретні фонони (названі на честь давньогрецьких "фото = світло" і "фоно = звук").

Отже, описаний вище процес слід розглядати як поділ фотона, що надходить з лазера, на пару фотонів і фононів - подібне до ядерного поділу атома на дві менші частини.

Але це не єдиний недолік класичної фізики. У квантовій механіці частинки можуть існувати в стані суперпозиції, як відомий кіт Шредінгера, який одночасно живий і мертвий.

У цьому новому дослідженні вчені успішно переплутали фотон і фонон, що утворюються в результаті поділу лазера, що надходить всередині кристала. Вони зробили це, розробивши експеримент, в якому пара фотонів-фотонів могла бути створена у два різні моменти. Класично це призведе до ситуації, коли пара створюється в момент t1 із 50% ймовірністю або пізніше t2 із 50% ймовірністю.

Тут вчені зіграли фокус, щоб створити заплутану державу. Вони влаштували експеримент таким чином, що у Всесвіті не залишилося навіть найменшого сліду часу створення пари світло-вібрації (t1 проти t2).

Іншими словами, вони стерли інформацію про t1 і t2. Потім квантова механіка передбачає, що пара фотонів-фотонів заплутається і існує в суперпозиції часу t1andt2. Це передбачення було чудово підтверджено вимірами, які дали результати, несумісні з класичною імовірнісною теорією.

Показуючи заплутаність між світлом та вібрацією у кристалі, який можна було тримати в пальці під час експерименту, нове дослідження створює місток між нашим щоденним досвідом та захоплюючою сферою квантової механіки.

Крістоф Галланд, керівник лабораторії квантової та нанооптики EPFL та один з основних авторів дослідження, сказав: «Квантові технології оголошуються як наступна технологічна революція в обчислювальній техніці та зв'язку. В даний час вони розробляються провідними університетами та великими компаніями по всьому світу, але проблема є страшною. Такі технології покладаються на дуже крихкі квантові ефекти, які виживають лише при надзвичайно низьких температурах або під високим вакуумом ".

“Наше дослідження демонструє, що навіть звичайний матеріал в умовах навколишнього середовища може підтримувати делікатні квантові властивості, необхідні для квантових технологій. Однак є своя ціна: квантові кореляції, підтримані атомними коливаннями в кристалі, втрачаються лише через 4 пікосекунди - тобто 0,000000000004 секунди! Однак цей короткий проміжок часу також є можливістю для розробки надшвидких квантових технологій. Але попереду багато досліджень, щоб перетворити наш експеримент на корисний пристрій - роботу для майбутніх квантових інженерів ".

Довідник журналу:

Сантьяго Тарраго Велес, Вівішек Судхір, Ніколас Сангуар, Крістоф Галланд. Кореляція дзвона між світлом та вібрацією в умовах навколишнього середовища. Наукові досягнення 18 грудня 2020 р., 6: eabb0260. DOI: 10.1126 / sciadv.abb0260

Джерело