Kvantesammenfiltring er sammenbindingen av to partikler eller objekter, selv om de kan være langt fra hverandre – deres respektive egenskaper er knyttet sammen på en måte som ikke er mulig under reglene for klassisk fysikk.
Det er et merkelig fenomen som Einstein beskrev som “skummel handling på avstand“, men dets rare er det som gjør det så fascinerende for forskere. I en 2021 studiekvante sammenfiltring ble direkte observert og registrert i makroskopisk skala – en skala som er mye større enn de subatomære partiklene som normalt er forbundet med sammenfiltring.
Dimensjonene som er involvert er fortsatt svært små fra vårt perspektiv – eksperimentene involverte to små aluminiumstromler som var en femtedel av bredden til et menneskehår – men i kvantefysikkens rike er de helt enorme.
“Hvis du analyserer posisjons- og momentumdataene for de to trommene uavhengig, ser de ganske enkelt varme ut hver for seg,” sa fysiker John Teufelfra National Institute of Standards and Technology (NIST) i USA, i fjor.
“Men ser vi på dem sammen, kan vi se at det som ser ut som tilfeldig bevegelse av en tromme er sterkt korrelert med den andre, på en måte som bare er mulig gjennom kvanteforviklinger.”
Selv om det ikke er noe å si at kvantesammenfiltring ikke kan skje med makroskopiske objekter, trodde man før dette at effektene ikke var merkbare i større skalaer – eller kanskje at den makroskopiske skalaen ble styrt av et annet sett med regler.
Nyere forskning tyder på at det ikke er tilfelle. Faktisk gjelder de samme kvantereglene her også, og kan faktisk også sees. Forskere vibrerte de små trommelmembranene ved hjelp av mikrobølgefotoner og holdt dem i en synkronisert tilstand når det gjelder posisjon og hastigheter.
For å forhindre forstyrrelser utenfra, et vanlig problem med kvantetilstander, ble trommene avkjølt, viklet inn og målt i separate trinn mens de var inne i et kryogent avkjølt kabinett. Tilstandene til trommene blir deretter kodet i et reflektert mikrobølgefelt som fungerer på samme måte som radar.
Tidligere studier hadde også rapportert om makroskopisk kvantesammenfiltring, men 2021-forskningen gikk videre: Alle nødvendige målinger ble registrert i stedet for utledet, og sammenfiltringen ble generert på en deterministisk, ikke-tilfeldig måte.
I en relaterte, men separate serier av eksperimenterhar forskere som også jobber med makroskopiske trommer (eller oscillatorer) i en tilstand av kvanteforviklinger vist hvordan det er mulig å måle posisjonen og momentumet til de to trommehodene samtidig.
“I arbeidet vårt viser trommeskinnene en kollektiv kvantebevegelse,” sa fysiker Laure Mercier de Lepinay, fra Aalto-universitetet i Finland. “Tromlene vibrerer i en motsatt fase til hverandre, slik at når en av dem er i en endeposisjon av vibrasjonssyklusen, er den andre i motsatt posisjon samtidig.”
“I denne situasjonen blir kvanteusikkerheten til trommenes bevegelse kansellert hvis de to trommene behandles som én kvantemekanisk enhet.”
Det som gjør denne overskriftsnyheten er at den kommer rundt Heisenbergs usikkerhetsprinsipp – ideen om at posisjon og momentum ikke kan måles perfekt på samme tid. Prinsippet sier at registrering av hver måling vil forstyrre den andre gjennom en prosess som kalles kvante rygghandling.
I tillegg til å støtte opp om den andre studien for å demonstrere makroskopisk kvantesammenfiltring, bruker denne spesifikke forskningen den sammenfiltringen for å unngå kvantetilbakeaksjon – i hovedsak undersøker linjen mellom klassisk fysikk (hvor usikkerhetsprinsippet gjelder) og kvantefysikk (hvor det nå gjør det) ser ikke ut til).
En av de potensielle fremtidige anvendelsene av begge sett med funn er i kvantenettverk – å være i stand til å manipulere og vikle inn objekter i en makroskopisk skala slik at de kan drive neste generasjons kommunikasjonsnettverk.
“Bortsett fra praktiske anvendelser, tar disse eksperimentene for seg hvor langt inn i det makroskopiske riket eksperimenter kan presse observasjonen av distinkte kvantefenomener,” skriver fysikerne Hoi-Kwan Lau og Aashish Clerk, som ikke var involvert i studiene, i en kommentar til forskningen som ble publisert på den tiden.
Begge først og sekund studien ble publisert i Vitenskap.
En versjon av denne artikkelen ble først publisert i mai 2021.