Квантовые границы на кончиках наночастиц: новый эксперимент с левитирующей оптомеханикой

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Квантовая физика — это одна из самых удивительных и загадочных областей науки, которая изучает поведение материи на самых малых масштабах. В квантовом мире происходят такие явления, которые невозможно объяснить с помощью классической физики, применимой к большим объектам. Одним из таких явлений является квантовая запутанность, когда две частицы становятся настолько связанными, что их состояния зависят друг от друга, даже если они находятся на большом расстоянии.

Две оптически захваченные наночастицы связаны друг с другом фотонами, отскакивающими взад и вперед между зеркалами
Автор: The University of Manchester Источник: phys.org

Квантовая физика не только расширяет наши знания о природе, но и открывает новые возможности для технологий, таких как квантовые компьютеры, квантовая криптография и квантовые сенсоры. Однако квантовые явления очень сложно наблюдать и контролировать, так как они легко теряются из-за воздействия окружающей среды. Поэтому физики стремятся создавать квантовые системы, которые могут изолироваться от шума и сохранять свои квантовые свойства.

За последние десятилетия ученые смогли добиться квантового поведения во все больших объектах, от электронов до молекул. Однако до сих пор неизвестно, где лежит граница между квантовым и классическим миром, и можно ли наблюдать квантовую запутанность в объектах микронного размера, которые в тысячи раз тяжелее атомов и молекул.

Недавно группа ученых из Манчестерского университета, Цюрихского политехнического института и Инсбрукского университета предложила новый способ решить эту проблему с помощью левитирующей оптомеханики. Это область науки, которая занимается управлением механическими объектами, подвешенными в вакууме с помощью лазерного света. Такие объекты могут быть изолированы от внешних воздействий и охлаждены до низких температур, что способствует сохранению квантовых свойств.

(a–c), Измеренные спектрограммы показывают расщепления нормальных мод, возникающие в результате резонаторно-опосредованных взаимодействий частиц-частиц при различных значениях расстройки резонатора Δ. Красные линии - это подгонки частот нормального режима ⼊y− и ⼊y+ связанной системы. (d), Расщепление min((⼊+) −(⼊−))=2|Gy,y| избегаемого пересечения, извлеченного из посадок, как функция расстройки. Полосы погрешности соответствуют трем s.d. аппроксимации вокруг извлеченных значений разбиения. В затененной области показаны теоретические оценки прочности сцепления Gy,y на основе параметров системы, проявляющих характерную зависимость от расстройки резонатора. — (a-c), Измеренные спектрограммы показывают расщепления нормальных мод, возникающие в результате резонаторно-опосредованных взаимодействий частиц-частиц при различных значениях расстройки резонатора Δ. Красные линии — это подгонки частот нормального режима ⼊y− и ⼊y+ связанной системы. (d), Расщепление min((⼊+) −(⼊−))=2|Gy, y| избегаемого пересечения, извлеченного из посадок, как функция расстройки. Полосы погрешности соответствуют трем s.d. аппроксимации вокруг извлеченных значений разбиения. В затененной области показаны теоретические оценки прочности сцепления Gy, y на основе параметров системы, проявляющих характерную зависимость от расстройки резонатора.
Автор: Vijayan, J., Piotrowski, J., Gonzalez-Ballestero, C. et al. Cavity-mediated long-range interactions in levitated optomechanics. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02405-3 Источник: www.nature.com

В эксперименте, проведенном в Цюрихском политехническом институте и опубликованном в журнале Nature Physics, ученые использовали две стеклянные частицы размером 0,1 микрона, которые были захвачены лазерными лучами и помещены между двумя зеркалами, образующими оптический резонатор. В такой системе фотоны, рассеянные частицами, многократно отражаются от зеркал, увеличивая вероятность взаимодействия между частицами. Это взаимодействие может привести к квантовой запутанности, если оно достаточно сильно, чтобы преодолеть потери из-за окружающей среды.

Ученые показали, что сила взаимодействия между частицами может быть усилена на несколько порядков величины, если изменять частоту лазера и положение частиц в резонаторе. Таким образом, они смогли достичь рекордного уровня взаимодействия для левитирующих объектов, который может быть достаточным для наблюдения квантовой запутанности. Кроме того, они обнаружили, что сила взаимодействия не зависит от расстояния между частицами, что позволяет связывать объекты на миллиметровых расстояниях.

Эти результаты являются важным шагом к пониманию фундаментальной физики, но также имеют практическое значение, особенно для развития квантовых сенсоров, которые могут использоваться для измерения гравитационных сил, ускорений, температуры и других параметров. Такие сенсоры могут найти применение в различных областях, таких как экологический мониторинг, навигация, климатические исследования и другие.

В будущем ученые планируют сочетать новые возможности с методами квантового охлаждения, чтобы подтвердить квантовую запутанность левитирующих частиц. Если это удастся, то это будет означать, что квантовая реальность может быть приближена к нашему макроскопическому миру, и что классическая физика не может объяснить все явления в природе.