Порушення Гейзенберга: ухилення від принципу невизначеності в квантовій фізиці
Нова техніка вперше отримує приблизно 100-річне правило квантової фізики.
Принцип невизначеності, вперше введений Вернером Гейзенбергом наприкінці 1920-х років, є фундаментальним поняттям квантової механіки. У квантовому світі частинки, такі як електрони, які живлять усі електричні продукти, також можуть вести себе як хвилі. В результаті частинки не можуть мати чітко визначене положення та імпульс одночасно. Наприклад, вимірювання імпульсу частинки призводить до порушення положення, і тому положення не може бути точно визначено.
У нещодавньому дослідженні, опублікованому в наука, команда під керівництвом професора Міки Сілланпяа з Університету Аалто у Фінляндії показала, що існує спосіб обійти принцип невизначеності. До складу команди входив доктор Метт Вуллі з Університету Нового Південного Уельсу в Австралії, який розробив теоретичну модель для експерименту.
Замість елементарних частинок команда провела експерименти, використовуючи набагато більші об’єкти: дві вібруючі головки барабанів, що становлять одну п’яту ширини людської волосини. Головки барабанів обережно змушували вести себе квантово-механічно.
«У нашій роботі головки барабанів демонструють колективний квантовий рух. Барабани вібрують у протилежній фазі один до одного, так що, коли один з них перебуває в кінцевому положенні циклу вібрації, інший одночасно знаходиться в протилежному положенні. У цій ситуації квантова невизначеність руху барабанів скасовується, якщо два барабани розглядаються як одна квантово-механічна сутність», — пояснює провідний автор дослідження доктор Лор Мерсьє де Лепіне.
Це означає, що дослідники змогли одночасно виміряти положення та імпульс двох головок барабанів, що не повинно бути можливим відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга. Порушення правила дозволяє їм мати можливість охарактеризувати надзвичайно слабкі сили, що рухають барабани.
«Один з барабанів реагує на всі сили іншого барабана протилежним чином, наче з негативною масою», – каже Сілланпяа.
Крім того, дослідники також скористалися цим результатом, щоб надати найбільш переконливі докази того, що такі великі об’єкти можуть проявляти те, що називається квантовою заплутаністю. Заплутані об’єкти не можуть бути описані незалежно один від одного, навіть якщо вони можуть мати як завгодно велике просторове розділення. Заплутування дозволяє парам об’єктів вести себе таким чином, що суперечить класичній фізиці, і є ключовим ресурсом, що стоїть за новими квантовими технологіями. Наприклад, квантовий комп’ютер може виконувати розрахунки, необхідні для винаходу нових ліків, набагато швидше, ніж будь-який суперкомп’ютер.
У макроскопічних об’єктах квантові ефекти, такі як заплутаність, дуже крихкі і легко руйнуються будь-якими порушеннями з навколишнього середовища. Тому експерименти проводилися при дуже низькій температурі, лише на соту градуса вище абсолютний нуль при -273 градуси.
У майбутньому дослідницька група використовуватиме ці ідеї в лабораторних випробуваннях, спрямованих на дослідження взаємодії квантової механіки та гравітації. Вібраційні головки барабанів також можуть служити інтерфейсами для з'єднання вузлів великомасштабних розподілених квантових мереж.
Довідка: «Підсистема без квантової механіки з механічними осциляторами» Лор Мерсьє де Лепіне, Каспар Ф. Окелоен-Корппі, Метью Дж. Вуллі та Міка А. Силланпяа, 7 травня 2021 р., наука.
DOI: 10.1126/science.abf5389
Група Sillanpää є частиною національного центру передового досвіду, Quantum Technology Finland (QTF). Дослідження проводилося з використанням OtaNano, національної дослідницької інфраструктури відкритого доступу, що забезпечує сучасне робоче середовище для конкурентоспроможних досліджень у нанонауці та технологіях, а також у квантових технологіях. OtaNano розміщується та керується Університетом Аалто та VTT.
