Heisenberg megtörése: A bizonytalansági elv elkerülése a kvantumfizikában
Az új technika először kapja meg a kvantumfizika mintegy 100 éves szabályát.
A bizonytalansági elv, amelyet először Werner Heisenberg vezetett be az 1920-as évek végén, a kvantummechanika alapfogalma. A kvantumvilágban az olyan részecskék, mint az összes elektromos terméket tápláló elektronok, hullámként is viselkedhetnek. Ennek eredményeként a részecskéknek nem lehet egyszerre jól meghatározott helyzetük és lendületük. Például egy részecske impulzusának mérése helyzetzavarhoz vezet, ezért a helyzet nem határozható meg pontosan.
A közelmúltban megjelent kutatásban Tudomány, a Prof. Mika Sillanpää vezette csapat a finn Aalto Egyetemen megmutatta, hogy van mód a bizonytalansági elv megkerülésére. A csapat tagja volt Dr. Matt Woolley, az ausztráliai Új-Dél-Wales Egyetemről, aki kidolgozta a kísérlet elméleti modelljét.
A csapat elemi részecskék helyett sokkal nagyobb tárgyakkal hajtotta végre a kísérleteket: két vibráló dobfejet, az emberi hajszál szélességének egyötödét. A dobfejeket óvatosan kvantummechanikai viselkedésre kényszerítették.
„Munkánkban a dobfejek kollektív kvantummozgást mutatnak. A dobok egymással ellentétes fázisban rezegnek úgy, hogy amikor az egyik a rezgési ciklus véghelyzetében van, a másik egyidejűleg ellenkező helyzetben van. Ebben a helyzetben a dobok mozgásának kvantumbizonytalansága megszűnik, ha a két dobot egyetlen kvantummechanikai egységként kezeljük” – magyarázza a tanulmány vezető szerzője, Dr. Laure Mercier de Lepinay.
Ez azt jelenti, hogy a kutatók egyszerre tudták megmérni a két dobfej helyzetét és lendületét – ami a Heisenberg-féle bizonytalansági elv szerint nem lenne lehetséges. A szabály megszegése lehetővé teszi számukra, hogy képesek legyenek jellemezni a dobfejeket hajtó, rendkívül gyenge erőket.
„Az egyik dob a másik dob minden erejére ellentétes módon reagál, mintegy negatív tömeggel” – mondja Sillanpää.
Ezenkívül a kutatók ezt az eredményt arra is felhasználták, hogy az eddigi legszilárdabb bizonyítékot szolgáltatják arra vonatkozóan, hogy az ilyen nagyméretű objektumok az úgynevezett kvantum-összefonódást mutatják. Az összegabalyodott objektumok nem írhatók le egymástól függetlenül, még akkor sem, ha tetszőlegesen nagy térbeli elválasztásuk van. Az összefonódás lehetővé teszi, hogy objektumpárok a klasszikus fizikának ellentmondó módon viselkedjenek, és ez a kulcsfontosságú erőforrás a feltörekvő kvantumtechnológiák mögött. Egy kvantumszámítógép például sokkal gyorsabban képes elvégezni az új gyógyszerek feltalálásához szükséges számításokat, mint bármely szuperszámítógép valaha.
A makroszkopikus objektumokban a kvantumhatások, például az összefonódás nagyon törékenyek, és könnyen tönkreteszik őket a környező környezetből származó bármilyen zavarás. Ezért a kísérleteket nagyon alacsony hőmérsékleten, mindössze század fokkal magasabb hőmérsékleten végezték abszolút nulla -273 fokon.
A kutatócsoport a jövőben ezeket az ötleteket a kvantummechanika és a gravitáció kölcsönhatásának vizsgálatára irányuló laboratóriumi tesztekben fogja felhasználni. A vibráló dobfejek interfészként is szolgálhatnak nagyméretű, elosztott kvantumhálózatok csomópontjainak összekapcsolásához.
Hivatkozás: „Kvantummechanika nélküli alrendszer mechanikus oszcillátorokkal”, Laure Mercier de Lépinay, Caspar F. Ockeloen-Korppi, Matthew J. Woolley és Mika A. Sillanpää, 7. május 2021., Tudomány.
DOI: 10.1126/science.abf5389
Sillanpää csoportja a Quantum Technology Finland (QTF) Nemzeti Kiválósági Központ része. A kutatás az OtaNano, egy nemzeti nyílt hozzáférésű kutatási infrastruktúra felhasználásával valósult meg, amely korszerű munkakörnyezetet biztosít a nanotudományok és -technológiák, valamint a kvantumtechnológiák versenyképes kutatásához. Az OtaNanót az Aalto Egyetem és a VTT ad otthont és üzemelteti.
