Kwantowe splątane fotony używane do pomiaru obrotu Ziemi

Zespołowi badaczy udało się zmierzyć wpływ rotacji Ziemi na splątane fotony, co stanowi niezwykły wyczyn naukowy.

Ten pionierski eksperyment, przeprowadzony przez grupę kierowaną przez Philippa Waltera V Uniwersytet Wiedeńskiprzesuwa granice czułości obrotowej w czujnikach opartych na splątaniu.

Ci genialni naukowcy przybliżyli świat o krok do fascynującego skrzyżowania mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności.

Ich badania stanowią kamień milowy w naszym rozumieniu złożonego związku między wirującymi układami odniesienia a splątaniem kwantowym.

Zmysł Sagnaca w interferometrach optycznych

Wykorzystując gigantyczny interferometr światłowodowy Sagnac i utrzymując niski, stabilny poziom szumów przez kilka godzin, zespół osiągnął tysiąckrotną poprawę rozdzielczości spinu w porównaniu z poprzednimi kwantowymi interferometrami optycznymi Sagnac.

Interferometry optyczne firmy Sagnac od dawna uznawane są za najbardziej czułe urządzenia do pomiaru cykli.

Narzędzia te odegrały kluczową rolę w kształtowaniu naszego rozumienia fizyki podstawowej od początków ubiegłego wieku, przyczyniając się do powstania szczególnej teorii względności Einsteina.

Dziś jego niezrównana dokładność czyni go idealnym narzędziem do pomiaru prędkości obrotowych, które ograniczają jedynie ograniczenia fizyki klasycznej.

Jednakże interferometry wykorzystujące splątanie kwantowe do pomiaru obrotu Ziemi mogą potencjalnie przekroczyć te ograniczenia.

Kiedy dwie lub więcej cząstek jest splątanych, znany jest jedynie stan skupienia, natomiast stan pojedynczej cząstki pozostaje nieokreślony aż do momentu pomiaru.

Tę unikalną właściwość można wykorzystać, aby uzyskać więcej informacji na pomiar, niż można by uzyskać bez przeplotu.

Pokonanie wrażliwej natury splątania

Pomimo ogromnego potencjału czujników opartych na splątaniu, ich praktyczne wdrożenie utrudnia bardzo czuły charakter splątania.

Tutaj doświadczenie wiedeńskie osiągnęło ogromny postęp.

Naukowcy zbudowali masywny światłowodowy interferometr Sagnaca, w którym dwa splątane fotony propagują wewnątrz 2-kilometrowego światłowodu nawiniętego na ogromną cewkę.

W tej konfiguracji uzyskano interferometr o powierzchni efektywnej ponad 700 m2.

Utrzymując szum na niskim i stabilnym poziomie przez kilka godzin, zespół był w stanie wykryć wystarczająco dużo wysokiej jakości splątanych par fotonów, aby uzyskać tysiąckrotną rozdzielczość spinu poprzednich kwantowych interferometrów optycznych Sagnac.

Iluzje świetlne w wirującym wszechświecie

Jednym z głównych wyzwań, przed którymi stanęli naukowcy, było wyizolowanie i wyodrębnienie stałego sygnału obrotu Ziemi.

„Istotą sprawy jest stworzenie punktu odniesienia dla naszych pomiarów, w którym na światło nie ma wpływu obrót Ziemi” – wyjaśnia główny autor Rafael Silvestri.

„Ponieważ nie możemy zatrzymać obrotu Ziemi, opracowaliśmy alternatywne rozwiązanie: podzielenie światłowodu na dwie cewki o równej długości i połączenie ich za pomocą przełącznika optycznego”.

Włączanie i wyłączanie przełącznika umożliwiło badaczom skuteczne anulowanie sygnału obrotu w dowolnym momencie, co pozwoliło im zwiększyć stabilność większego urządzenia.

„Zasadniczo oszukaliśmy światło, myśląc, że istnieje w nierotującym wszechświecie” – podsumował Silvestri.

Fotony kwantowe i obrót Ziemi

W interferometrze Sagnaca dwie cząstki poruszają się w przeciwnych kierunkach po wirującej zamkniętej ścieżce i docierają do punktu początkowego w różnym czasie.

Jednakże, gdy w grę wchodzą dwie splątane cząstki, dzieje się coś niezwykłego: zachowują się jak pojedyncza cząstka doświadczająca obu kierunków jednocześnie, a jednocześnie gromadzą dwukrotnie większe opóźnienie w porównaniu ze scenariuszem, w którym nie ma splątania.

Ta wyjątkowa właściwość znana jest jako ultraprecyzja.

Eksperyment przeprowadzony w ramach sieci badawczej TURIS prowadzonej przez Uniwersytet Wiedeński Austriacka Akademia NaukW największym stopniu udało mu się zaobserwować wpływ obrotu Ziemi na stan splątanego fotonu.

To potwierdzenie interakcji między wirującymi układami odniesienia a splątaniem kwantowym, jak wyjaśniono w szczególnej teorii względności Einsteina i mechanice kwantowej, oznacza tysiąckrotną poprawę dokładności w porównaniu z poprzednimi eksperymentami.

„To znaczące wydarzenie w stuleciu od pierwszej obserwacji obrotu Ziemi za pomocą światła, kiedy to splątanie poszczególnych kwantów światła w końcu trafiło do tych samych systemów sensorycznych” – mówi Haokun Yu, który pracował nad eksperymentem jako badacz w Marie Uniwersytet Curie. Doktor habilitowany.

Badanie krzywych czasoprzestrzeni

Pomyślna demonstracja tej metodologii otwiera ekscytujące możliwości dla przyszłych badań.

Philipp Walther, główny badacz, wierzy, że ich wyniki i metodologia utorują drogę do dalszych ulepszeń w zakresie czułości obrotowej czujników opartych na splątaniu.

Dodaje: „Może to otworzyć drogę do przyszłych eksperymentów sprawdzających zachowanie splątania kwantowego wzdłuż krzywych czasoprzestrzeni”.

Rotacja Ziemi łączy Einsteina ze światem kwantowym

Ten niezwykły eksperyment stanowi kamień milowy w naszym rozumieniu złożonego związku między splątaniem kwantowym a skutkami obrotu Ziemi.

Dzięki pomyślnemu pomiarowi wpływu rotacji naszej planety na splątane fotony z niespotykaną dotąd precyzją, badania te potwierdzają przewidywania szczególnej teorii względności i mechaniki kwantowej Einsteina, otwierając jednocześnie drzwi do nowej ery badań na fascynującym przecięciu tych dwóch podstawowych pól.

W miarę jak naukowcy w dalszym ciągu przesuwają granice czujników opartych na splątaniu, stoimy o krok od odkrycia tajemnic czasoprzestrzeni i głębszego zrozumienia podstawowych mechanizmów działania wszechświata.

Pełne badanie opublikowano w czasopiśmie Postęp nauki.

—–

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.

—–