Квантова заплутаність об'єднує дві частинки або об'єкти, навіть якщо вони перебувають на великій відстані одна від одної. А отже, їхні властивості пов'язані таким чином, що вони не піддаються правилам класичної фізики.
Дивне явище, яке Ейнштейн назвав "моторошною дією на відстані", робить його надзвичайно цікавим для вчених.
Масштабна звплутаність
У недавньому дослідженні 2021 року квантова заплутаність була безпосередньо помічена і зареєстрована в макроскопічному масштабі - масштабі набагато більшому, ніж субатомні частинки, які зазвичай асоціюються з найбільш таємничими явищами квантової фізики.
Вчені припустили, що маси все ще дуже малі, хоча в експерименті брали участь два крихітних алюмінієвих барабани шириною в одну п'яту людської волосини. Неймовірний обсяг для стандартів квантової фізики.
"Якщо проаналізувати дані про положення та імпульс для двох барабанів незалежно один від одного, то кожен із них здається просто гарячим", - стверджує фізик Джон Тейфел із Національного інституту стандартів і технологій (NIST), США.
"Але якщо подивитися на них у комплексі, то ми побачимо, що те, що виглядає як випадковий рух одного барабана, сильно корелює з іншим, а це можливо тільки завдяки квантовій заплутаності".
Хоча ніщо не говорить про те, що квантова заплутаність не може відбуватися на макроскопічному рівні, досі вважалося, що відповідні ефекти не помітні у великих масштабах. Або макроскопічний масштаб керується іншим набором правил.
Останні дослідження показують, що це не так. Насправді, ті ж квантові правила діють на будь-якому рівні - від кварків до макрокосмосу.
Технологічно дослід зводився до наступного: дослідники вібрували мембрани крихітного барабана за допомогою мікрохвильових фотонів і утримували їх у синхронізованому стані з точки зору їхнього положення і швидкостей.
Щоб запобігти зовнішнім перешкодам, звичайній проблемі з квантовими станами, барабани охолоджують, сплутують і вимірюють на окремих етапах. При цьому вони перебувають у кріогенно охолодженому корпусі. Потім стани барабанів кодуються у відбитому мікрохвильовому полі, яке працює подібно до радара.
Попередні дослідження також повідомляли про макроскопічну квантову заплутаність, але саме дослідження 2021 року пішло далі: всі необхідні вимірювання були зареєстровані, а не виведені, і заплутаність була створена детермінованим, а не випадковим чином.
У суміжній, але окремій серії експериментів, інші дослідники, які також працюють із макроскопічними барабанами (або осциляторами) у стані квантової заплутаності, показали, як можна виміряти положення та імпульс двох барабанних головок одночасно.
"У нашій роботі барабанні головки демонструють колективний квантовий рух", - каже фізик Лор Мерсьє де Лепіне з університету Аалто, Фінляндія.
"Барабани вібрують у протилежній фазі один від одного, тож коли один із них перебуває в кінцевому положенні циклу вібрації, інший у цей самий час розташований у протилежному положенні".
"У цій ситуації квантова невизначеність руху барабанів скасовується, якщо розглядати два барабани як одну квантово-механічну сутність".
Обійти принцип невизначеності Гейзенберга
Новина, винесена в заголовок, полягає в тому, що проведені експерименти дають змогу обійти принцип невизначеності Гейзенберга - ідею про те, що положення та імпульс не можуть бути ідеально виміряні одночасно.
Принцип свідчить, що запис будь-якого з вимірів заважатиме іншому виміру через процес, званий квантовою зворотною дією.
Крім підтримки іншого дослідження в демонстрації макроскопічної квантової заплутаності, у другому випадку заплутаність використовується для того, щоб уникнути зворотної квантової дії - по суті, вимірюється межа між класичною і квантовою фізиками.
Одним із потенційних майбутніх застосувань дослідів є квантові мережі - можливість маніпулювати і заплутувати об'єкти в макроскопічному масштабі, щоб вони живили комунікаційні мережі наступного покоління.
"Крім практичного застосування, ці експерименти показують, наскільки далеко можна просунути спостереження за явно квантовими явищами", - пишуть фізики Хой-Кван Лау і Аашиш Клерк, які не брали участі в дослідженнях.
