Физики запутали классические осцилляторы разными способами

Сразу две группы физиков сообщили о том, что им удалось добиться квантовой запутанности в системе двух микромеханических осцилляторов, каждый из которых состоит из нескольких миллиардов атомов. В одной группе ученые использовали кремниевые оптомеханические кристаллы, соединенные лазерными пучками. Другая группа исследователей рассматривала колебания двух мембран, помещенных над металлическими пластинками и связанных электрической цепью, по которой распространялось микроволновое излучение. Обе статьи опубликованы в Nature.

Квантовой запутанностью называют явление, при котором квантовые состояния частиц оказываются скоррелированы, то есть взаимосвязаны. Грубо говоря, представим, что мы последовательно подбросили две монетки, каждая из которых может с равной вероятностью выпасть «орлом» или «решкой» вверх. Кроме того, будем считать, что результаты подбрасывания определяются состоянием монетки, которое заранее неизвестно. Если монетки друг с другом никак не связаны, результаты их подбрасываний независимы — другими словами, не важно, какой стороной выпала первая монетка, предсказать на основании этого факта исход следующего опыта нельзя.

Это не так, если монетки запутаны: достаточно подбросить только одну монетку, чтобы узнать состояние второй. Например, вторая монетка всегда будет выпадать той же стороной, что и первая. В случае частиц или других квантовых систем состояние описывается более сложными свойствами, однако суть остается той же. Особенно интересно, что квантовые аналоги запутанных монеток можно сначала разнести на большое расстояние и только потом сравнить результаты «подбрасываний» — окажется, что они будут взаимосвязаны даже в этом случае, хотя монеткам приходится обмениваться информацией со сверхсветовой скоростью. Подробнее об этом явлении можно прочитать в статье «Просто о квантовой запутанности».

На протяжении долгого времени квантовую запутанность удавалось экспериментально наблюдать только для отдельных частиц, в основном фотонов. Тем не менее, в 2009 году физикам из США и Израиля впервые удалось запутать механические осцилляторы, состоящие из связанных ионов магния и бериллия, а к настоящему времени ученые уже научились запутывать несколько миллионов атомов. Впрочем, до квантовой запутанности макроскопических систем, содержащих миллиарды миллиардов частиц, дело пока еще не дошло.

На этой неделе сразу две группы физиков приблизились к этой цели, запутав две системы оптомеханических осцилляторов. Первая группа, возглавляемая Саймоном Грёблахером (Simon Gröblacher), использовала в качестве осцилляторов тонкие кремниевые палочки длиной около десяти микрометров, на которые направлялись пучки лазерного излучения. Палочки были обжаты по концам, а на протяжении всей длины в них были проделаны отверстия — благодаря фотоупругости и давлению излучения длина палочек начинала периодически изменяться, причем частота механических колебаний оказывалась связана с частотой падающих и выходящих из палочки фотонов благодаря процессу Стокса (то есть комбинационному рассеянию света, Raman scattering). Осцилляторы были смонтированы на специальном чипе и отстояли друг от друга на расстоянии около двадцати сантиметров.

Вообще говоря, для запутывания таких осцилляторов фотоны, излучаемые на выходе, должны быть неотличимы. Следовательно, собственная механическая и оптическая частота колебаний осцилляторов тоже должны совпадать с очень хорошей точностью. Несмотря на то, что современный уровень технологий не позволяет полностью контролировать оптическую частоту на этапе изготовления, и итоговый разброс составляет около 0,1 процента, исследователи придумали способ обойти эту проблему — для этого они изготовили порядка сотни осцилляторов с близкими частотами и отобрали среди них наиболее близкие. В итоге оптическая частота отобранных приборов составила около 193 терагерц, что отвечало длине волны около 1533,8 нанометра, а механическая частота примерно равнялась 5,1 гигагерца. К тому же частоту механических колебаний системы можно было контролировать прямо в ходе опыта, подстраивая параметры падающего на трубочки излучения.

Для создания и подтверждения запутанности между осцилляторами ученые использовали следующую трехшаговую схему. На первом шаге каждый из механических осцилляторов охлаждался до температуры порядка 60 милликельвинов, чтобы снизить влияние механических колебаний, которые не имеют отношения к рассеянию света, то есть перевести осцилляторы в основное состояние.

На следующем шаге осцилляторы помещались в различные плечи интерферометра, а рождающиеся в них в результате процесса Стокса фотоны регистрировались сверхпроводящими детекторами. При этом сила излучения была подобрана таким образом, чтобы вероятностью одновременного рождения фотонов в обоих осцилляторах можно было пренебречь. Получалось, будто осцилляторы запутались — если в одном из них рождался фотон и возникали механические колебания, можно было утверждать, что в другом осцилляторе колебаний не возникало. В то же время, делители лазерных пучков были установлены не только перед осцилляторами, но и после, то есть рождение фотона регистрировали сразу оба детектора. Поскольку оптическая частота осцилляторов совпадала, точно сказать, в каком из них родился фотон, было нельзя.

Наконец, на последнем шаге исследователи подтвердили, что осцилляторы действительно запутались. Для этого они запускали в систему сравнительно мощный «считывающий» импульс — такой, чтобы он вызывал процесс анти-Стокса и позволял ухватить механическое состояние каждого из осцилляторов, но не нагревал их и не приводил к декогеренции. В результате между состояниями полной системы возникал дополнительный фазовый сдвиг, изменяя который, можно было проследить за состояниями отдельных осцилляторов. В самом деле, измеренная учеными зависимость свидетельствовала о запутанности трубочек.

Во второй статье группа физиков под руководством Мика Силанпяя (Mika Sillanpää) исследовала квантовую запутанность на несколько другой установке. Вместо оптомеханических осцилляторов они использовали более привычные приборы, состоящие из металлической мембраны диаметром около 15 микрометров, помещенной над металлической пластинкой. Собственная частота механических колебаний таких осцилляторов составляла около десяти мегагерц, а принцип их работы напоминал барабан или обычные звуковые динамики.

Чтобы запутать осцилляторы, ученые соединили их проводами, по которым могли распространяться микроволновые волны. При этом осцилляторы находились на расстоянии около 600 микрометров друг от друга, то есть непосредственно взаимодействовать не могли. Как и в первой статье, ученые охладили установку до низкой температуры — на этот раз она составила примерно 14 милликельвинов.

Затем ученые запутали осцилляторы, запуская в электрическую цепь волны особой формы — такое запутывание отдаленно напоминает связывание двух маятников пружинкой. После этого физики направили на систему две пробные волны с известной разницей фаз и измерили зависимость средних квадратов отклонений осцилляторов от положения равновесия. Выяснилось, что при изменении фазы эти величины менялись практически одинаково — собственно, это указывало на запутанность осцилляторов.

За последние несколько лет физики добились большого прогресса в изучении квантовой запутанности. Так, в июне 2016 года ученые из Университета Базеля и Национального Университета Сингапура запутали систему сжатых спинов, состоящую из 480 атомов рубидия. Уже в марте прошлого года исследователи из Университета Женевы научились запутывать более 16 миллионов атомов с помощью одного-единственного фотона. Кроме того, ученые постоянно увеличивают максимальное расстояние, на которое можно передать запутанные частицы — например, в сентябре 2015 года это расстояние составляло около ста километров, а в июне 2017-го превысило тысячу километров. В частности, это достижение позволило провести сеанс трансконтинентальной квантовой спутниковой связи между Веной и Пекином.

Подробнее прочитать про запутывание частиц и связанное с ним явление нелокальности можно в наших материалах «Квантовая азбука: Телепортация» и «Квантовая азбука: Нелокальность», а также в отрывке из книги Джорджа Массера «Нелокальность: Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего».

Дмитрий Трунин