PDF Basket
Mechanika kwantowa w tradycyjnym ujęciu opisuje zachowanie cząstek elementarnych, atomów i cząsteczek. Nie znamy jednak powodu, dla którego większe obiekty, należące do królestwa mechaniki klasycznej, nie miałyby podlegać tym samym prawom.
Oznaczałoby to, że obiekty te mogłyby wykazywać te same „upiorne” właściwości kwantowe. Do właściwości takich należy także splątanie kwantowe, polegające na tym, że odległe od siebie obiekty są ze sobą powiązane w sposób, który przeczy fizyce klasycznej i naszemu zdroworozsądkowemu pojmowaniu rzeczywistości.
„Najbardziej typowe układy klasyczne w fizyce to masywne poruszające się obiekty, które doskonale nadają się do poszukiwania potencjału kwantowego w świecie makroskopowym”, mówi Mika Sillanpää, koordynator finansowanego przez UE projektu CAVITYQPD, wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. „Potwierdzenie takich zjawisk jest celem naukowców już od dawna, jednak barierą były dotychczas trudności związane z prowadzeniem odpowiednich eksperymentów”.
Używając specjalnie opracowanych technik umożliwiających pomiary kwantowe o dużej czułości, zespół wykazał we współpracy z inną grupą naukowców, że małe rezonatory mechaniczne – o średnicy zaledwie 15 mikronów, ale masywne w skali atomowej – mogą zostać wprowadzone w stan splątania kwantowego.
„Splątanie jest niezwykle nietrwałe i do tej pory obserwowano je głównie w układach mikroskopijnych, takich jak światło czy atomy, a ostatnio w nadprzewodzących obwodach elektrycznych”, wyjaśnia Sillanpää z Uniwersytetu Aalto będącego gospodarzem projektu.
Zależności kwantowe w świecie klasycznym
W projekcie CAVITYQPD rezonatory mikromechaniczne, w tym przypadku maleńkie wibrujące bębenki wykonane z metalicznego aluminium na krzemowym chipie, reprezentowały masywne poruszające się obiekty. Ruch tych obiektów zazwyczaj odbywa się zgodnie z zasadami fizyki klasycznej – stan obiektu, takiego jak wahadło, sprawia, że jego ruch w przestrzeni i czasie jest przewidywalny.
„Rezonatory mikromechaniczne są stosowane we wszystkich znanych nam urządzeniach elektronicznych, ponieważ ich niezawodne, przewidywalne i precyzyjne drgania pozwalają na budowę zegarów do procesorów”, dodaje Sillanpää.
Celem projektu było ustalenie, czy możliwe jest wywołanie splątania między dwoma rezonatorami mikromechanicznymi i wykrycie go w taki sam sposób, w jaki robi się to w przypadku układów atomowych.
Chociaż istnieje wiele różnych typów rezonatorów mikromechanicznych, zespół CAVITYQPD opracował własne wersje, testując układy w sterylnych warunkach i posiłkując się symulacjami komputerowymi.
Splątanie wywołano przez umieszczenie drgających rezonatorów mikromechanicznych w małym urządzeniu nazywanym rezonatorem wnękowym. Tutaj rezonatory mikromechaniczne są manipulowane za pomocą nadprzewodzącego obwodu mikrofalowego w taki sposób, aby uzyskać stan splątania. „Po uzyskaniu splątania, rezonatory mikromechaniczne drgają synchronicznie, co można wykryć w emisji mikrofal, stanowiących bezpośredni dowód udanego splątania”, wyjaśnia Sillanpää.
Aby tego dokonać, eksperymenty przeprowadza się w temperaturze bliskiej zera absolutnego, czyli -273 °C.
Kwantowy przełom w dziedzinie inżynierii?
W technologię kwantową inwestuje obecnie wiele przedsiębiorstw i instytutów badawczych, a efekt splątania stanowi kluczowy element przetwarzania informacji kwantowych.
Rezonatory mikromechaniczne mogłyby stanowić kwantowy interfejs między światem codziennym a opartymi na kubitach realizowanych w ciele stałym procesorami komputerów kwantowych, oferując moc obliczeniową znacznie przekraczającą obecne możliwości. Zespół CAVITYQPD jako jeden z pierwszych połączył rezonatory mikromechaniczne z nadprzewodzącym kubitem – podstawową jednostką informacji kwantowej.
Kolejnym realnym krokiem staje się przekształcanie informacji kubitowej w fotony przy użyciu rezonatora mechanicznego. Umożliwiłoby to przesyłanie informacji kwantowych na duże odległości za pomocą sieci światłowodowych. „Interfejs łączący kubity realizowane w ciele stałym z sygnałami optycznymi oferuje szereg zastosowań wykraczających poza obliczenia kwantowe, takich jak hiperczułe czujniki kwantowe, które mogłyby na przykład mierzyć fale grawitacyjne”, mówi Sillanpää.
Zespół planuje teraz badać bardzo trudne, a wciąż słabo poznane zagadnienia z dziedziny fizyki kwantowej, takie jak natura wzajemnego oddziaływania mechaniki kwantowej i grawitacji oraz ogólna teoria względności Einsteina.
„Tak, to bardzo ambitne cele, ale wartościowe badania często wydają się początkowo zniechęcające”, podsumowuje Sillanpää.
Video in English
https://www.youtube.com/watch?v=I6d4Ib1QKU8