غيوم من الذرات والمرايا تهتز تظهر بهم الجانب الكم

تكبير / A أشكال بوز آينشتاين من ذرات الروبيديوم. واستخدمت غيوم مماثلة من الذرات للدراسة entanglement.NIST / جيلا / CU-بولدر

إن القول بأن العالم الكمي غير بديهي أمر مذهل بخس. ينتهي الجسيمات في أكثر من مكان في وقت واحد ، والحالات تتفاعل مع بعضها البعض. القرارات المتخذة بعد اجتاز الفوتون مسار عقبة يحدد المسار الذي سلكه من خلاله. الأجسام الكمومية المتشابكة يمكن أن تكون في مجرات منفصلة ، بعد قياس واحد سوف يحدد على الفور مصير الثاني. من الواضح أن أشياء كهذه لا تحدث في عالمنا تجربة مشتركة.

فأين هي الحدود التي تفصل العالم الكمومي عن لنا؟ في حين أن التجارب المذكورة أعلاه أظهرت لأول مرة مع جزيئات فردية ، قام الباحثون بإعادة النظر في بعضها أشياء أكبر من أي وقت مضى ، والتي تبين أن الجزيئات بأكملها ستعمل فقط مثل الإلكترون يفعل. الآن ، تم دفع الحد إلى الوراء حتى كذلك ، كمجموعة من الأوراق يصف التشابك الأشياء التي تتكون من آلاف الذرات.

سحابة الكم

ثلاث من الأوراق تزين صفحات العلوم ، وكلها تعتمد عليها مادة مماثلة: غيوم من الذرات شديدة البرودة ، ما يصل إلى 20،000 من معهم. هذه تعتمد على الغريب الكم آخر: إذا جزيئات تصبح غير قابلة للتمييز جسديا ، فإنها تبدأ في التصرف مثل أ نظام واحد من الجسيمات متشابكا. (باعتبارها واحدة من أكثر وضوحا فرق من الباحثين يكتبون ، “يعتمد جيل التشابك التماثل بين تبادل الجسيمات الأساسي في فرق جزيئات مماثلة. “) مريح ، إذا اخترت الذرات المناسبة ل صنع سحابة ، وسوف تشكل بشكل طبيعي المكثفات Bose-Einstein ، في التي تعتمد كل منهم نفس الحالة.

وهذا يجعل من السهل نسبيًا أن تتشابك الذرات مع بعض. ولكن ، لأنها عادة ما تظل غير قابلة للتمييز ، لم تكن هناك طريقة لفعل أي شيء مفيد في ذلك. ذرات قد تكون السحابة متشابكة ، لكن لا يمكننا فعل ذلك سوى إجراء تجارب مع سحابة بدلا من ذراتها متشابكا الفردية.

تبين أن حل هذا الأمر بسيط للغاية. ال أغلق الباحثون ببساطة النظام الذي يحمل الذرات السحابة معا في حفنة. تحرر من هذا ضبط النفس ، الذرات بدأت بطبيعة الحال في الانجراف ، مما تسبب في توسيع السحابة. كما هي توسعت ، يمكن للباحثين ببساطة تجربة مختلفة أجزاء منه – في هذه الحالة ، قياس تدور الذرات.

لأثنين من الأوراق ، أجرى الباحثون قياسات التي أظهرت أن شطري السحابة بقي متشابكا كما هو موسع. في الورقة الثالثة ، استخدموا قياسات النصف ل تحديد خصائص الثانية بدقة أكبر مما هو ممكن في ظل مبدأ عدم اليقين لهيسنبرغ (أ تقنية تسمى “التوجيه الكمومي”).

بينما تقسيم السحابة إلى النصف لا يعطينا الكثير من المتشابكين الأشياء التي يجب التعامل معها ، أظهر فريق واحد أنه من الممكن صنعها شكل الانقسامات بشكل تعسفي ، في حين أن أداء الفريق الثاني خمسة القياسات على سحابة واحدة التوسع.

والشيء الجميل في هذا الأمر هو أن السحب الذرية الباردة الأنظمة الفيزيائية مفهومة للغاية – نحن جيدون للغاية توليد ومعالجتها. لذلك يمكن أن يكون هذا نظام جيد لاختبار السلوكيات الكمومية. ستكون صعبة للغاية ل استخدم هذا الأسلوب لإنشاء وحدات البت للحوسبة الكمومية ، لأن أي تدخل مباشر لتقسيم السحابة إلى أجزاء يمكن أن تدمر بسهولة التشابك.

احساس جيد

ورقتان أخريان ، تظهر في مجلة Nature ، تنظران أيضًا إلى ورقة كبيرة نظام الكم. في هذه الحالة ، هو زوج من الكم مذبذبات – أعتقد أن المرايا عالقة في الينابيع. عندما يضرب فوتون واحد من المرايا ، هناك فرصة للتخلي عن بعض من الطاقة لوضع مرآة تهتز. إذا تم الاحتفاظ بالمرايا بارد بما فيه الكفاية ، ومنع الضوضاء البيئية من الدخول الطريق ، يمكن للفوتون نقل بعض طاقته إلى المرآة ، وضعه يهتز مع كمية واحدة من الطاقة.

هذا يسمح لهم بالتشابك. استخدمت كلتا المجموعتين البحثيتين الإعداد حيث تم إعداد اثنين من المرايا الاهتزازية مقابل بعضهما البعض مع طريق للفوتونات للسفر بينهما. في حالة واحدة ، فإن تم التشابك عن طريق إرسال فوتون في الجهاز بحيث ارتدت واحدة من المرايا. لكن الباحثين لم يستطع ذلك معرفة أي مرآة ضربها. هذا ترك كل من المرايا جسديا تراكب لا يمكن تمييزه من تهتز وليس تهتز. وبما أنهما لا يمكن تمييزهما ، فقد تصرفت المرايا مثل نظام كم وحيد – بمعنى آخر ، كانوا متشابكين.

هناك بعض الميزات البارزة لهذا النظام. لتبدأ مع ، المرايا ، من حيث الكم ، ضخمة ، تتكون من يقدر 1012 ذرة. أن الأقزام الآلاف من الذرات المستخدمة في مجموعات أخرى من التجارب.

والثاني هو أن المسافة بين المرايا يمكن أن تكون كبير بشكل تعسفي. في حالة واحدة ، وضعت على شريحة واحدة ، مع قناة بصرية بينهما. في الثانية ، ومع ذلك ، فإنها كانت على رقائق منفصلة. (كان هذا بدافع الضرورة. الباحثون لا يمكن تصنيع الأجهزة بشكل جيد بما يكفي لضمان أن سوف خصائص أي اثنين تتطابق بشكل جيد بما فيه الكفاية للعمل. لذلك هم ببساطة جعل حفنة على اثنين من رقائق منفصلة واختبارها حتى وجدت مباراة). في التجربة ، كانت الشيبتان تفصل بينهما 20 سم ، لكن الباحثين يقولون إنهم استطاعوا أن يفصلوا بينهم عن 70 م دون أي تغييرات كبيرة على الإعداد الخاصة بهم.

تم بناء الجهاز أيضًا للعمل في الاتصالات السلكية واللاسلكية الطول الموجي وينبغي أن تعمل على 75 كيلومترا في 95 في المئة من كفاءة فعلت في المختبر. وهذا يحصل إلى أقصى حد ممكن الفوائد العملية هنا: تشابك سهل لجهازين بعيدين يوفر فرصة رائعة لأشياء مثل مفتاح الكم توزيع.

ولكن الشيء المذهل في كل هذا هو الحجم الفعلي لل النظم التي يجري متشابكا. إنها لا تزال مجهرية ، لكنها كذلك لا يزال أكبر بكثير من الأشياء التي عادة ما نفكر فيها الانتماء في العالم الكم. لا يخبرنا أين الخط بين الاثنين ينهار ، لكنها بالتأكيد تبدو هكذا سوف تعتمد الحدود على الميزات المحددة لنظام معين ، بدلا من مجرد عدد الذرات المعنية.

العلوم ، 2017. أوراق مرتبطة عبر DOI: 10.1126 / science.aat4590 (حول دويس). الطبيعة ، 2017. دوي: 10.1038 / s41586-018-0038-x ، s41586-018-0036-z (حول DOIs).