Почему квантовая механика так хорошо работает с микроскопическими объектами, а макроскопические объекты описываются классической физикой? Этот вопрос беспокоил физиков с момента развития квантовой теории более 100 лет назад. Исследователи из Делфтского технологического университета и Венского университета в настоящее время разработали макроскопическую систему, которая демонстрирует запутанность между механическими фононами и оптическими фотонами. Они проверили запутанность, используя тест Белла, один из самых убедительных и важных тестов, чтобы показать, что система ведет себя не классически.

Фото: TU Delft

С момента своего создания более 100 лет назад физики осознали, что квантовая теория может вступать в конфликт с некоторыми основными аксиомами классической физики. В частности, эти принципы заключаются в том, можно ли обмениваться информацией быстрее, чем скорость света (называемая «локальность»), и существуют ли физические величины независимо от того, наблюдаются они или нет (называется «реализм»). Альберт Эйнштейн однажды известен спросил Авраама Паиса, его биографа, действительно ли он думал, что луна существует, только когда он смотрит на нее.

Горячие дебаты между Эйнштейном и Нильсом Бором об этом конфликте аксиом в 1930-х годах начали долгие десятилетия исследования корреляций между квантовыми системами. Это явление, называемое квантовой запутанностью, быстро выкристаллизовалось как одно из ключевых предсказаний квантовой механики. Работа Джона Белла в 1960-х годах открыла путь для экспериментальной проверки этих принципов, что добавило новые и захватывающие результаты в дискуссию. Однако большинство квантовых экспериментов, выполненных до настоящего времени, имеют дело либо с одной, либо с относительно небольшим числом частиц.

Квантовые корреляции

Команда ученых во главе с профессором Саймоном Греблахером из Делфтского технологического университета теперь вступила в совершенно новую шкалу квантовых измерений. Они создали устройство, которое дало корреляции между колебательным движением кремниевых оптомеханических генераторов, включающих приблизительно 10 миллиардов атомов, и оптическими модами. Устройства были охлаждены до их основных движущихся состояний внутри холодильника для разбавления, а затем были испытаны лазерными импульсами. Определенные лазерные частоты способны взаимодействовать с устройствами, либо возбуждая движение контролируемым образом, либо считывая его состояние. Всякий раз, когда это происходит, возникают корреляции между рассеянным светом и устройствами, которые позволяют точно предсказать поведение одного из них другим.

Чтобы проверить, были ли корреляции в их системе на самом деле квантовой механикой в ​​действии, а не классической физикой, они выполнили тест Белла. По сути, две частицы были представлены на выбор: эксперимент был разработан таким образом, чтобы каждую из них можно было зарегистрировать в одном из двух детекторов. Оба результата были одинаково вероятны по своей конструкции, что делало невозможным прогнозирование результата для фотонов или фононов по отдельности. Однако из-за корреляции между ними фононы могут быть сделаны такими, что они всегда дают соответствующий результат измерения фотонам. Было обнаружено, что примерно в 80 процентах случаев они ведут себя так, что значительно выше классического порога Белла, составляющего около 70 процентов.

Тщательный тест

Настоящий тест Белла состоял в том, чтобы настроить некоторые экспериментальные параметры, которые по-разному влияют на две частицы, и посмотреть, когда эта зависимость разрушится. Квантово-механически оба могут поддерживать коррелированные результаты измерений гораздо дольше, чем это разрешено классически. «Это самое тщательное испытание массивного устройства, которое ведет себя квантово-механически, еще не выполнено», — сказал профессор Греблахер.

Эти результаты означают, что квантовая механика распространяется до макроскопической области. Кроме того, устройство, изготовленное исследователями, может быть расширено и улучшено. Греблахер: «Поскольку наш экспериментальный протокол не зависит от размера осциллятора, эти результаты закладывают основу для возможности исследовать границу между классической и квантовой физикой со сколь угодно большими объектами, даже видимыми невооруженным глазом».

По материалам phys.org