University of Adelaide forskere er en del av et internasjonalt team som gjør fremskritt i å forstå kvanteverdenen. Deres valgte undersøkelsesmetode? Et “mikrofridge” som kan kjøle ned små gjenstander til den kaldeste temperaturen i universet.
Kvantemekanikk har de siste hundre årene vært med på å forme vår forståelse av at universet er veldig merkelig.
For eksempel, ‘superposisjonsprinsippet’ forteller oss at med mindre det observeres direkte i et eksperiment, tar egenskapene til partikkelen ikke en enkelt verdi, men en “superposisjon” av sannsynlige verdier hver med sin egen sannsynlighet.
Når superposisjoner er spredt over flere partikler, sies partiklene å være “innviklet”. Kvantesammenfiltring betyr at de fysiske tilstandene til to eller flere partikler som er sammenfiltret forblir knyttet sammen uansett avstanden som skiller dem.
Kvantemekanikk er bare observerbar i den superlille verden av partikler, atomer og molekyler. Direkte observasjon av kvanteeffekter krever også ekstremt lave temperaturer. De laveste temperaturene i universet, faktisk.
Undersøkelser publisert i OPTISK journal tar sikte på å hjelpe vitenskapen med å svare på spørsmålet om hvorfor kvanteeffekter ikke sees på omfanget av vår daglige erfaring. Kvantesammenfiltring av hverdagslige objekter er fortsatt begrenset til science fiction.
“Kvantemekanikk beskriver oppførselen til eksepsjonelt små objekter ved svært lave temperaturer,” sier seniorforfatter og prosjektleder professor Kishan Dholakia fra University of Adelaide og University of St Andrews, Storbritannia. Han beskriver kvanteforviklinger som «bemerkelsesverdig».
Einstein omtalte det som ‘skummel handling på avstand’. Denne effekten kobler skjebnen til separerte objekter: å utføre en måling av ett objekt forteller deg øyeblikkelig resultatet av den samme målingen på det andre objektet, selv om det er eksepsjonelt langt unna . Kvanteforviklinger er et nøkkelfenomen bak den nåværende driften for å realisere kvantedatamaskiner og kvantebasert kryptering.”
Les mer: Robot med buet rom trosser kjente fysikklover, og varsler nye lokomotivteknologiske muligheter
For å studere forviklinger, måtte teamet være i “kvanteregimet”. Dette betyr at de trengte å avkjøle gjenstandene de ville studere. Jo større gjenstanden var, jo kaldere trengte de for å få den.
Til dags dato har sammenfiltring bare blitt sett i usedvanlig små og kalde gjenstander som små skyer av atomer eller molekyler.
Forskere fra University of St Andrews; University of Adelaide, Australia; University of Arizona, USA og Institute of Scientific Instruments ved Czech Academy of Sciences, Tsjekkia deltok i prosjektet.
Men dette internasjonale teamet av forskere utviklet en metode for å kjøle ned to eller flere glassperler – hver på størrelse med en rød blodcelle (bare noen få mikrometer på tvers) for å bli avkjølt til temperaturer under de kaldeste delene av verdensrommet.
Ved denne lengden er temperaturen direkte knyttet til hastigheten på objektets bevegelse. Så å bremse vibrasjonene inne i perlene har effekten av å avkjøle dem.
“Vi brukte lasere for å bremse en av kulene, som deretter fungerte som et kjøleskap for ytterligere perler,” sier førsteforfatter Dr Yoshihiko Arita, også ved University of St Andrews.
Så mikrokjøleskapet er ikke en boks som glassperlene er plassert i – det er en av de avkjølte perlene i seg selv.
“Å redusere temperaturen på ‘kjøleskapet’ avkjølte de andre kulene til mindre enn én grad over absolutt null, -273,15 °C, den kaldeste temperaturen som er oppnåelig i universet.
“Dette eksperimentet viser en ny vei som vi kan kjøle ned to eller flere gjenstander på. Det er spennende at tilnærmingen er kompatibel med mange aktuelle eksperimenter i feltet, og den tilbyr en potensiell vei til å se sammenfiltring i objekter som er på kanten av det vi kan se med det blotte øye.»
Dholakia forklarer at med slike eksperimenter på superkjølte objekter i mikrometerskala, “er de klar til å tilby et paradigmeskifte for terrestrisk sansing av grunnleggende krefter og kvantefysikk. De kan til og med føre til bordsensorer for gravitasjonsbølger, forklarer Dholakia. “Dette arbeidet vil inspirere forskere til å utforske fordelene ved flere partikler for en rekke studier i dette spirende området.”