Breaking Heisenberg: Vyhýbání se principu nejistoty v kvantové fyzice
Nová technika poprvé dostává kolem 100 let staré pravidlo kvantové fyziky.
Princip neurčitosti, který poprvé představil Werner Heisenberg na konci 1920. let, je základním konceptem kvantové mechaniky. V kvantovém světě se částice jako elektrony, které pohánějí všechny elektrické produkty, mohou chovat také jako vlny. V důsledku toho částice nemohou mít současně dobře definovanou polohu a hybnost. Například měření hybnosti částice vede k narušení polohy, a proto nelze polohu přesně definovat.
V nedávném výzkumu, publikovaném v Věda, tým vedený prof. Mikou Sillanpää z Aalto University ve Finsku ukázal, že existuje způsob, jak obejít princip neurčitosti. Tým zahrnoval Dr. Matta Woolleyho z University of New South Wales v Austrálii, který vyvinul teoretický model experimentu.
Místo elementárních částic tým prováděl experimenty s mnohem většími předměty: dvěma vibrujícími bubny o šířce jedné pětiny šířky lidského vlasu. Hlavy bubnů byly pečlivě donuceny, aby se chovaly kvantově mechanicky.
„V naší práci bubnové hlavy vykazují kolektivní kvantový pohyb. Bubny vibrují ve vzájemně opačné fázi, takže když je jeden z nich v koncové poloze vibračního cyklu, druhý je současně v opačné poloze. V této situaci je kvantová nejistota pohybu bubnů zrušena, pokud se s těmito dvěma bubny zachází jako s jednou kvantově-mechanickou entitou,“ vysvětluje hlavní autor studie, Dr. Laure Mercier de Lepinay.
To znamená, že výzkumníci byli schopni současně změřit polohu a hybnost dvou bubnových hlav – což by podle Heisenbergova principu neurčitosti nemělo být možné. Porušení pravidla jim umožňuje charakterizovat extrémně slabé síly pohánějící bubny.
„Jeden z bubnů reaguje na všechny síly druhého bubnu opačným způsobem, tak nějak negativní hmotou,“ říká Sillanpää.
Kromě toho výzkumníci také využili tohoto výsledku, aby poskytli dosud nejspolehlivější důkaz, že takové velké objekty mohou vykazovat to, co je známé jako kvantové zapletení. Zapletené objekty nelze popsat nezávisle na sobě, i když mohou mít libovolně velké prostorové oddělení. Zapletení umožňuje dvojicím objektů chovat se způsobem, který je v rozporu s klasickou fyzikou, a je klíčovým zdrojem vznikajících kvantových technologií. Kvantový počítač může například provádět typy výpočtů potřebných k vynalézání nových léků mnohem rychleji, než by to kdy dokázal jakýkoli superpočítač.
V makroskopických objektech jsou kvantové efekty, jako je zapletení, velmi křehké a jsou snadno zničeny jakýmikoli poruchami z okolního prostředí. Proto byly experimenty prováděny při velmi nízké teplotě, pouze o setinu stupně vyšší absolutní nula při -273 stupních.
V budoucnu bude výzkumná skupina tyto myšlenky používat v laboratorních testech zaměřených na zkoumání souhry kvantové mechaniky a gravitace. Vibrační hlavy bubnu mohou také sloužit jako rozhraní pro připojení uzlů rozsáhlých distribuovaných kvantových sítí.
Odkaz: „Subsystém bez kvantové mechaniky s mechanickými oscilátory“ od Laure Mercier de Lépinay, Caspar F. Ockeloen-Korppi, Matthew J. Woolley a Mika A. Sillanpää, 7. května 2021, Věda.
DOI: 10.1126/science.abf5389
Skupina Sillanpää je součástí národního centra excelence, Quantum Technology Finland (QTF). Výzkum byl proveden pomocí OtaNano, národní výzkumné infrastruktury s otevřeným přístupem poskytující nejmodernější pracovní prostředí pro konkurenční výzkum v nanovědách a technologiích a v kvantových technologiích. OtaNano je hostován a provozován Aalto University a VTT.
