O particulă de sticlă de 100 de nanometri a fost „împletită” cu lumina: experimentul care apropie fizica cuantică de aplicații reale

Fizicienii au reușit să creeze pentru prima dată o stare de entanglement cuantic persistent între mișcarea unei particule de sticlă aflate în levitație și lumina care se îndepărtează de aceasta, fără ca întregul experiment să fie răcit la temperaturi criogenice. Reușita oferă o nouă modalitate de studiere a fenomenelor cuantice și ar putea avea, în viitor, aplicații în comunicațiile cuantice.

Experimentul a fost realizat cu o nanobila de sticlă cu diametrul de aproximativ 100 de nanometri, comparabil cu dimensiunea unui virus. Deși este minusculă la scara obișnuită, particula conține zeci de milioane de atomi, ceea ce face demonstrația deosebit de interesantă pentru cercetarea comportamentului cuantic al unor obiecte mai mari decât particulele individuale.

O particulă de sticlă a fost ținută în aer doar cu ajutorul luminii

Echipa de cercetători coordonată de Francesco Marin, fizician la Universitatea din Florența, a folosit o tehnică numită pensetă optică. Un fascicul laser focalizat poate exercita o presiune de radiație suficientă pentru a menține nanoparticula suspendată și pentru a-i controla poziția, se arată în revista Science.

Bila de sticlă a fost plasată într-o cameră cu vid aproape complet, între două oglinzi care formează o cavitate optică. În aceste condiții, particula nu este prinsă de un suport fizic și poate oscila în jurul poziției sale de echilibru.

Cercetătorii nu au urmărit să controleze fiecare dintre zecile de milioane de atomi. Experimentul s-a concentrat asupra mișcării centrului de masă al întregii nanoparticule.

Apariția comportamentului cuantic este extrem de dificilă deoarece interacțiunea cu mediul înconjurător poate distruge rapid corelațiile fragile. Vidul aproape complet și levitația au redus aceste interferențe, dar echipa a trebuit să rezolve o altă problemă: răcirea particulei și crearea entanglementului necesitau efecte opuse.

Două lasere au avut roluri diferite în experiment

Pentru a aduce mișcarea nanoparticulei aproape de starea fundamentală cuantică, cercetătorii au folosit două lasere cu proprietăți diferite.

Vezi și:

Cercetătorii au teleportat pentru prima dată o imagine prin 100 de canale cuantice simultan

O descoperire din fizica cuantică ar putea schimba comunicațiile viitorului. Cercetătorii au creat un dispozitiv care generează „sunet cuantic”

Primul fascicul, cu frecvența deplasată spre roșu față de o rezonanță a cavității optice, a răcit și stabilizat oscilațiile particulei. Al doilea, deplasat spre albastru, a fost folosit pentru a crea entanglementul dintre mișcarea sferei și lumină.

Cele două fascicule au fost combinate într-o singură „pensetă” optică bicoloră. Astfel, răcirea mișcării și interacțiunea necesară pentru entanglement au putut fi controlate separat.

Corelația cuantică a legat poziția și impulsul particulei de proprietățile luminii cunoscute drept cuadraturi, concepte care corespund, în linii mari, amplitudinii și fazei câmpului electromagnetic.

Într-o stare de entanglement, aceste două sisteme nu mai pot fi descrise complet independent. O măsurătoare efectuată asupra luminii oferă informații despre starea nanoparticulei și modifică descrierea sa cuantică.

Entanglementul a fost observat fără răcirea întregului laborator

Un aspect important al experimentului este faptul că cercetătorii nu au avut nevoie să răcească instalația la temperaturi criogenice. Laboratorul a rămas la temperatura camerei, în timp ce doar mișcarea mecanică a nanoparticulei a fost răcită cu ajutorul laserelor.

Combinația dintre levitație, vid și răcire optică a permis menținerea comportamentului cuantic suficient de mult pentru ca cercetătorii să poată analiza corelațiile.

Demonstrarea entanglementului nu s-a bazat însă pe simpla observare a unei corelații. Echipa a analizat lumina care ieșea din cavitatea optică. Mișcarea nanoparticulei lăsase o amprentă asupra luminii, astfel încât măsurarea acesteia a permis reconstruirea relațiilor dintre poziția și impulsul sferei și cuadraturile câmpului luminos.

Fizica cuantică stabilește un prag care permite diferențierea dintre sisteme entanglate și sisteme ale căror proprietăți pot fi descrise separat. Măsurătorile echipei au trecut acest prag și au rămas în zona asociată entanglementului chiar și după luarea în calcul a incertitudinilor experimentale și a unor ipoteze diferite de analiză.

Lumina care a părăsit cavitatea ar putea deveni un canal cuantic

Poate cel mai important aspect al experimentului este faptul că entanglementul nu a rămas limitat la lumina prinsă între oglinzile cavității optice. Corelațiile au persistat în lumina care a continuat să se deplaseze după ce a părăsit instalația.

Acest lucru este important pentru eventualele aplicații. O stare cuantică prezentă doar în interiorul unei cavități este dificil de folosit în altă parte, în timp ce un fascicul de lumină care se propagă poate, cel puțin în principiu, să transporte informația către un alt punct al unei rețele optice sau să interacționeze cu un alt dispozitiv cuantic.

Cercetătorii subliniază însă că mai sunt multe etape până la o asemenea aplicație. Entanglementul trebuie consolidat și controlat dinamic, nu doar observat într-o stare stabilă. În viitor, obiectivul este ca informația cuantică să poată fi scrisă în oscilatorul mecanic, păstrată acolo și apoi recuperată.

O altă direcție este conectarea mai multor astfel de sisteme, cu nanoparticule aflate în pensete optice diferite. Astfel s-ar putea construi o rețea de interfețe mecanice și optice care să lege mai multe componente cuantice.

Experimentul demonstrează astfel că o particulă de sticlă microscopică poate fi adusă într-o relație cuantică persistentă cu lumina, la temperatura camerei. Următoarea provocare este transformarea acestei demonstrații într-un sistem care nu doar observă entanglementul, ci îl poate folosi pentru procesarea și transmiterea informației cuantice.

Cum suprapui două videoclipuri cu funcția Overlay din CapCut. Trucul simplu pentru efectul Picture-in-Picture