Breaking Heisenberg: Ontduiking van die onsekerheidsbeginsel in kwantumfisika
Nuwe tegniek kry vir die eerste keer ongeveer 100 jaar oue reël van kwantumfisika.
Die onsekerheidsbeginsel, wat die eerste keer deur Werner Heisenberg in die laat 1920's bekendgestel is, is 'n fundamentele konsep van kwantummeganika. In die kwantumwêreld kan deeltjies soos die elektrone wat alle elektriese produkte aandryf ook soos golwe optree. Gevolglik kan deeltjies nie gelyktydig 'n goed gedefinieerde posisie en momentum hê nie. Byvoorbeeld, die meting van die momentum van 'n deeltjie lei tot 'n versteuring van posisie, en daarom kan die posisie nie presies gedefinieer word nie.
In onlangse navorsing, gepubliseer in Wetenskap, 'n span gelei deur prof. Mika Sillanpää by Aalto Universiteit in Finland het gewys dat daar 'n manier is om die onsekerheidsbeginsel te omseil. Die span het dr. Matt Woolley van die Universiteit van Nieu-Suid-Wallis in Australië ingesluit, wat die teoretiese model vir die eksperiment ontwikkel het.
In plaas van elementêre deeltjies, het die span die eksperimente uitgevoer met baie groter voorwerpe: twee vibrerende tromkoppe een vyfde van die breedte van 'n menslike haar. Die tromkoppe is versigtig gedwing om kwantummeganies op te tree.
“In ons werk vertoon die tromkoppe 'n kollektiewe kwantumbeweging. Die tromme vibreer in 'n teenoorgestelde fase van mekaar, sodanig dat wanneer een van hulle in 'n eindposisie van die vibrasiesiklus is, die ander een terselfdertyd in die teenoorgestelde posisie is. In hierdie situasie word die kwantumonsekerheid van die tromme se beweging gekanselleer as die twee tromme as een kwantummeganiese entiteit behandel word,” verduidelik die hoofskrywer van die studie, dr. Laure Mercier de Lepinay.
Dit beteken dat die navorsers gelyktydig die posisie en momentum van die twee tromkoppe kon meet — wat volgens die Heisenberg-onsekerheidsbeginsel nie moontlik behoort te wees nie. Deur die reël te oortree, kan hulle uiters swak kragte wat die tromkoppe dryf, karakteriseer.
"Een van die tromme reageer op al die kragte van die ander trommel op die teenoorgestelde manier, soort van 'n negatiewe massa," sê Sillanpää.
Verder het die navorsers ook hierdie resultaat ontgin om die mees stewige bewyse tot op datum te verskaf dat sulke groot voorwerpe wat bekend staan as kwantumverstrengeling kan vertoon. Verstrengelde voorwerpe kan nie onafhanklik van mekaar beskryf word nie, al kan hulle 'n arbitrêr groot ruimtelike skeiding hê. Verstrengeling laat pare voorwerpe toe om op maniere op te tree wat klassieke fisika weerspreek, en is die sleutelhulpbron agter opkomende kwantumtegnologieë. ’n Kwantumrekenaar kan byvoorbeeld die tipe berekeninge uitvoer wat nodig is om nuwe medisyne uit te vind baie vinniger as wat enige superrekenaar ooit kon.
In makroskopiese voorwerpe is kwantumeffekte soos verstrengeling baie broos en word maklik vernietig deur enige versteurings van hul omliggende omgewing. Daarom is die eksperimente uitgevoer by 'n baie lae temperatuur, slegs 'n honderdste 'n graad bo absolute nul by -273 grade.
In die toekoms sal die navorsingsgroep hierdie idees gebruik in laboratoriumtoetse wat daarop gemik is om die wisselwerking van kwantummeganika en swaartekrag te ondersoek. Die vibrerende tromkoppe kan ook dien as koppelvlakke vir die koppeling van nodusse van grootskaalse, verspreide kwantumnetwerke.
Verwysing: "Kwantummeganika-vrye substelsel met meganiese ossillators" deur Laure Mercier de Lépinay, Caspar F. Ockeloen-Korppi, Matthew J. Woolley en Mika A. Sillanpää, 7 Mei 2021, Wetenskap.
DOI: 10.1126/science.abf5389
Sillanpää se groep is deel van die nasionale Sentrum van Uitnemendheid, Quantum Technology Finland (QTF). Die navorsing is uitgevoer met behulp van OtaNano, 'n nasionale ooptoegang-navorsing-infrastruktuur wat die nuutste werksomgewing bied vir mededingende navorsing in nanowetenskap en -tegnologie, en in kwantumtegnologie. OtaNano word aangebied en bedryf deur Aalto Universiteit en VTT.
