Po raz pierwszy zmierzono prędkość splątania kwantowego

W świecie fizyki kwantowej wydarzenia toczą się z zadziwiającą szybkością. Procesy, które wcześniej uważano za zachodzące w jednej chwili, takie jak splątanie kwantowe, są obecnie badane w najmniejszych ułamkach sekundy.

To jak zamrożenie ulotnej chwili, aby odsłonić najdrobniejsze szczegóły ukryte na widoku.

We współpracy z zespołem badaczy z Chin, profesorem Joachimem Burgdorferem i współpracownikami z Instytut Fizyki Teoretycznej W TU Wien mierzymy te ulotne chwile, aby zrozumieć, jak faktycznie zachodzi splątanie kwantowe.

Naukowcy ci nie skupiają się na istnieniu splątania kwantowego, ale chcą odkryć, jak ono się zaczyna – jak dokładnie dwie cząstki ulegają splątaniu kwantowemu?

Zrozumienie splątania kwantowego

Korzystając z zaawansowanych symulacji komputerowych, udało im się dostrzec procesy zachodzące w skali czasu wynoszącej attosekundy – miliardowe części miliardowej sekundy.

Splątanie kwantowe to dziwne i cudowne zjawisko, w którym dwie cząstki stają się tak połączone, że dzielą jeden stan.

To jak mieć dwie magiczne monety, które zawsze leżą po tej samej stronie – odwróć jedną, a druga w tajemniczy sposób pokaże ten sam wynik, nawet jeśli dzielą je mile.

„Można powiedzieć, że cząstki nie mają indywidualnych właściwości, a jedynie właściwości wspólne. Z matematycznego punktu widzenia silnie do siebie pasują, nawet jeśli znajdują się w zupełnie różnych miejscach” – wyjaśnia profesor Burgdorfer.

Oznacza to, że pomiar jednej cząstki natychmiast wpływa na stan drugiej cząstki, niezależnie od odległości między nimi.

Mówiąc najprościej, splątane cząstki mają wspólne połączenie, które pozwala im natychmiastowo „rozmawiać” ze sobą. Zmierz pojedynczą cząstkę, a od razu dowiesz się czegoś o jej partnerze.

To dziwne zachowanie podważa nasze codzienne zrozumienie działania świata, czyniąc splątanie jedną z najbardziej zadziwiających koncepcji fizyki kwantowej.

Eksperymenty laserowe i elektronowe

Chociaż koncepcja splątania kwantowego wydaje się niezrozumiała, nie jest już tematem dyskusji, czy jest prawdziwa, czy nie, i nie o to chodzi w tym badaniu.

„Nas natomiast interesuje coś innego, a mianowicie odkrycie, jak w ogóle ewoluowało to splątanie i jakie efekty fizyczne odgrywają rolę w bardzo krótkich skalach czasowych” – mówi profesor Eva Brezinova, jedna z autorzy badań. Aktualny wpis.

Aby to zbadać, zespół przyjrzał się atomom uderzonym intensywnym impulsem laserowym o wysokiej częstotliwości. Wyobraź sobie, że świecisz supermocną latarką na atom.

Jeden z elektronów zostaje tak wzbudzony, że uwalnia się i odlatuje. Jeśli laser jest wystarczająco mocny, wstrząsowi ulega również inny elektron wewnątrz atomu, przechodząc na wyższy poziom energii i zmieniając swoją orbitę wokół jądra.

Zatem po tym intensywnym wybuchu światła jeden elektron odrywa się samoczynnie, pozostawiając inny, ale nie taki sam jak poprzednio.

„Możemy pokazać, że te dwa elektrony są teraz splątane kwantowo” – mówi profesor Burgdorfer. „Możesz je analizować tylko razem, możesz dokonać pomiaru na jednym elektronie i jednocześnie dowiedzieć się czegoś o drugim elektronie”.

Kiedy czas staje się niewyraźny

Tutaj sprawy stają się naprawdę interesujące. Odlatujący elektron nie ma określonego momentu, w którym opuszcza atom.

„Oznacza to, że czas narodzin odlatującego elektronu jest w zasadzie nieznany. „Można powiedzieć, że elektron sam w sobie nie wie, kiedy opuścił atom” – zauważa profesor Burgdorfer.

Znajduje się w tak zwanej superpozycji kwantowej, co oznacza, że ​​istnieje w wielu stanach jednocześnie.

Ale jest coś więcej. Czas, w którym elektron opuszcza, jest powiązany ze stanem energetycznym elektronu, który pozostaje.

Jeśli pozostały elektron ma wyższą energię, jest prawdopodobne, że odlatujący elektron opuścił wcześniej. Gdyby znajdował się w niższym stanie energetycznym, elektron prawdopodobnie opuściłby obiekt później – średnio po około 232 attosekundach.

Mierzyć to, czego nie da się zmierzyć

Totosekunda jest tak krótka, że ​​większość ludzi nie jest w stanie jej zrozumieć. Jednak te niewielkie różnice nie są tylko teoretyczne.

„Różnice te można nie tylko obliczyć, ale także zmierzyć eksperymentalnie” – mówi profesor Burgdorfer.

Zespół opracował protokół pomiarowy, który łączy dwie różne wiązki laserowe w celu uchwycenia tego nieuchwytnego czasu.

Współpracują już z innymi badaczami, którzy chcą testować i monitorować te ultraszybkie splątania w laboratorium.

Dlaczego splątanie kwantowe jest ważne?

Zrozumienie, w jaki sposób formy splątania mogą mieć poważne implikacje dla technologii kwantowych, takich jak kryptografia i informatyka.

Zamiast po prostu próbować zachować splątanie, naukowcy mogą teraz badać jego początki. Może to prowadzić do nowych sposobów kontrolowania systemów kwantowych i zwiększania bezpieczeństwa komunikacji kwantowej.

Podróż nie kończy się tutaj. Profesor Burgdorfer i jego zespół są podekscytowani kolejnymi krokami.

„Prowadzimy już rozmowy z zespołami badawczymi, które chcą udowodnić takie ultraszybkie splątania”.

Prowadząc badania w tak bardzo krótkich skalach czasowych, nie tylko obserwują efekty kwantowe, ale także na nowo definiują sposób, w jaki rozumiemy strukturę rzeczywistości.

Splątanie kwantowe i przyszłość

Oczywiste jest, że w świecie kwantowym nawet najkrótsze chwile zawierają bogactwo informacji.

„Elektron nie wyskakuje po prostu z atomu. To, że tak powiem, fala wychodząca z atomu, która zajmuje trochę czasu” – wyjaśnia Eva Brezhenova.

„Właśnie na tym etapie następuje splątanie” – podsumowuje – „a jego efekt można później dokładnie zmierzyć, monitorując oba elektrony”.

Zatem następnym razem, gdy mrugniesz, pamiętaj, że w mniej niż jedną bilionową tego czasu zachodzą całe zdarzenia kwantowe, ujawniając tajemnice, które mogą zmienić przyszłość technologii i nasze rozumienie wszechświata.

Pełne badanie opublikowano w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.

—–

Podoba Ci się to, co przeczytałem? Zapisz się do naszego newslettera, aby otrzymywać ciekawe artykuły, ekskluzywne treści i najnowsze aktualizacje.

Odwiedź nas w EarthSnap, bezpłatnej aplikacji udostępnionej przez Erica Rallsa i Earth.com.

—–