×

Две оптически захваченные наночастицы соединяются вместе фотонами, отражающимися между зеркалами. Источник.

Законы квантовой физики управляют поведением частиц в мельчайших масштабах, вызывая настолько странные явления, что, с точки зрения классической физики, они не просто необъяснимы, а даже невероятны. Такова, например, квантовая запутанность ‒ мгновенная зависимость двух частиц друг от друга чуть ли не на любом расстоянии. Тем не менее учёные отдают предпочтение фактам, а не теориям, так что сегодня исследования в этой области помогают нам заполнить пробелы в знаниях физики и постепенно открывают более полную картину реальности. Однако крошечные масштабы квантовых систем весьма затрудняют их изучение.

С тех пор как научный мир признал невероятные особенности поведения материи в квантовых масштабах, вопрос о том, где проходит граница между «мирами», так и не получил ответа. И всё-таки он отнюдь не оставлял пытливые умы всё это время.

Известно, что квантовые особенности взаимодействия объектов теряются по мере увеличения масс и размеров этих объектов. Эти свойства просто растворяются в окружающей среде, что приводит к тому классическому поведению, которое мы и привыкли обычно наблюдать. За последнее столетие физики фиксировали квантовые явления во всё более крупных объектах, начиная от субатомных частиц вроде электронов, заканчивая молекулами, включающими уже тысячи атомов. И теперь, похоже, новое исследование обнаружило способ продвинуться в решении этой загадки ещё дальше.

Совсем недавно за дело взялись исследователи левитационной оптомеханики ‒ области, которая занимается управлением объектами микронного масштаба большой массы в вакууме. Проверяя наличие и достоверность квантовых явлений для объектов на несколько порядков тяжелее атомов и молекул, они стремятся расширить границы возможного. 

Команда, возглавляемая доктором Джаядевом Виджаяном, главой Лаборатории квантовой инженерии Манчестерского университета, совместно с теоретиками из Университета Инсбрука и естествоиспытателями из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich), разработала новый подход к преодолению этой проблемы. Результаты эксперимента, проведённом ETH Zurich, опубликованы в журнале Nature Physics.

 «Чтобы наблюдать квантовые явления в больших масштабах и пролить свет на переход от классического к квантовому, необходимо сохранять квантовые характеристики в присутствии шума из окружающей среды. Как вы можете себе представить, есть два способа сделать это: первый - подавить шум, а второй - усилить квантовые характеристики, ‒ говорит доктор Виджаян. ‒ Наше исследование демонстрирует способ решения проблемы, используя второй подход. Мы показываем, что взаимодействия, необходимые для сцепления между двумя оптически захваченными стеклянными частицами размером 0,1 микрона, могут быть усилены на несколько порядков, чтобы компенсировать потери для окружающей среды».

Учёные поместили частицы в так называемый оптический резонатор ‒ то есть между двумя зеркалами с высокой отражающей способностью, обращёнными друг ко другу. Вследствие этого, фотоны, рассеянные каждой частицей, прежде чем покинуть резонатор мечутся между зеркалами, отскакивая туда-сюда, тысячи раз. По задумке, получившееся значительное повышение вероятности взаимодействия между частицами должно усилить их квантовое поведение.

«Примечательно, что, поскольку оптические взаимодействия опосредуются резонатором, его прочность не уменьшается с расстоянием, а это означает, что мы можем соединять частицы микронного масштаба на расстоянии нескольких миллиметров», ‒ добавляет Йоханнес Пиотровски, соавтор статьи из ETH Zurich.

Сюрприз преподнесли попытки масштабирования силы взаимодействия с помощью перенастройки резонатора и разделения между частицами. Оказалось, что таким образом открывается возможность настройки взаимодействий. То есть различные механические режимы позволяют исследователям точно регулировать силу взаимодействия. При этом для достижения определённого результата можно оперировать также изменением частоты лазера и положением частиц внутри резонатора.

Полученные результаты представляют собой значительный шаг к пониманию той самой фундаментальной физики. Но авторы также предвкушают и практическое применение открытых ими возможностей. Эта работа позволяет вести исследования многочастичных эффектов в массивах наночастиц с программируемыми с помощью резонаторов взаимодействиями. Также можно генерировать запутанность движения и использовать массивы взаимодействующих частиц для оптомеханического зондирования. Особенно это касается сенсорных технологий, которые могут быть использованы для мониторинга окружающей среды и автономной навигации.

«Ключевой силой механических датчиков с левитацией является их большая масса по сравнению с другими квантовыми системами, использующими сенсорику, ‒ поясняет сотрудник Венского технического университета доктор Карлос Гонсалес-Баллестеро. ‒ Большая масса делает их хорошо подходящими для обнаружения гравитационных сил и ускорений, что повышает чувствительность. Таким образом, квантовые датчики могут использоваться во множестве различных приложений в различных областях, таких как мониторинг полярных льдов для климатических исследований и измерение ускорений в навигационных целях».

«Интересно работать над этой относительно новой платформой и проверять, насколько мы можем развить её квантовый режим», ‒ добавил Пиотровски.

Теперь команда решила заняться объединением новых возможностей с хорошо зарекомендовавшими себя методами квантового охлаждения, дабы добиться более основательного утверждения квантовой запутанности. В случае успеха достижение запутанности левитирующих нано- и микрочастиц может сократить разрыв между квантовым миром и повседневной классической механикой.

 


АРМК, по материалам Nature Physics.