Ученые из Токио добились квантового сжатия левитирующей наночастицы, продвинув вперед датчики и квантовые исследования.
Трехсторонняя квантовая запутанность света (иллюстративное изображение)
Национальная лаборатория Оук-Ридж – Квантовая
Исследователи из Токийского университета совершили прорыв, который выводит квантовую физику на новый уровень.
Группа успешно продемонстрировала квантовое сжатие движения наночастицы, движение, неопределенность которого меньше квантово-механических флуктуаций, обычно считающихся пределом.
Это достижение может открыть двери не только для исследования фундаментальной физики, но и для создания сверхточных датчиков.
Эти датчики однажды смогут обеспечить такие технологии, как навигация без GPS и автономное вождение, работающие с высокой точностью.
В основе этого открытия лежит одна из самых странных особенностей квантовой механики — неопределённость. В микроскопическом мире положение и скорость частицы невозможно измерить с абсолютной точностью, поскольку они всегда подвержены флуктуациям.
Даже в самом низком возможном энергетическом состоянии частица все еще испытывает «нулевые колебания».
Квантовое сжатие уменьшает эту неопределенность, создавая состояние, более узкое, чем обычный квантовый предел природы.
Распространив эту концепцию на наночастицы, команда из Токио создала новую платформу для исследования того, как квантовые законы действуют в масштабах, превышающих атомные, но все еще значительно меньших, чем повседневные объекты.
Частица, застрявшая между двумя мирами
Руководитель исследования Киётака Айкава объясняет суть проблемы: «Хотя квантовая механика успешно применялась к микроскопическим частицам, таким как фотоны и атомы, до сих пор не было исследовано, в какой степени квантовая механика верна в макроскопических масштабах».
Группе нужен был объект достаточно большого размера, чтобы преодолеть этот разрыв и проверить это. Они обратились к стеклянной частице наномасштаба, подняв её в воздух в вакууме, где она охладилась до практически минимально возможного уровня энергии.
Тщательно регулируя условия ловушки, а затем ненадолго отпуская ее, исследователи смогли измерить распределение ее скоростей.
Ключевой момент наступил, когда они обнаружили, что при правильном расчёте времени распределение скоростей было уже, чем ожидаемая неопределённость в основном состоянии частицы. Это сужение было безошибочным признаком квантового сжатия.
Проектирование перехода к квантовым устройствам
Путешествие оказалось совсем непростым. Левитирующие частицы, как известно, нестабильны, а окружающая среда добавляла дополнительные шумы и колебания. Исследователи потратили годы на преодоление этих трудностей, прежде чем нашли условие, которое работало стабильно.
«Когда мы нашли условие, которое можно было надежно воспроизвести, — говорит Айкава, — мы были удивлены, насколько чувствительна левитирующая наночастица к колебаниям окружающей среды».
Именно этот тонкий баланс делает платформу столь мощной.
Левитирующая наночастица в вакууме представляет собой изолированную систему, в которой исследователи могут изучать переход между классической и квантовой механикой. Она также служит испытательным стендом для создания новых квантовых устройств.
Помимо чистой науки, это имеет и практическое значение. Сверхчувствительные квантовые датчики, разработанные на основе этого принципа, могут произвести революцию в навигации, обеспечивая точность, не зависящую от спутниковых сигналов.
Они также могут улучшить измерения в таких разных областях, как медицина, геология и связь.
Сейчас токийская группа празднует свой успех. Но их работа знаменует собой лишь начало большого пути, в котором квантовая механика всё ближе подходит к макроскопическому миру, в котором мы живём.
Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Science.
Sourse: interestingengineering.com
