Физики запутали и измерили два макрообъекта

Двум разным группам ученых удалось экспериментально продемонстрировать квантовые явления в макроскопических механических системах. Одна из них показала, как можно сгенерировать квантовое запутанное состояние и подтвердить его наличие прямым экспериментом; а вторая научилась избегать стандартный квантовый предел в измерениях аналогичной системы. Первая и вторая работы опубликованы в журнале Science.

Наличие приставки «квантовый» в любом термине зачастую отсылает к каким-нибудь очень маленьким, микроскопическим объектам — атомам, фотонам, экситонам. На их основе можно демонстрировать эффекты, которые предсказывает и описывает квантовая механика, и создавать сенсоры и схемы для вычислений или коммуникаций. На самом деле, макроскопические объекты тоже проявляют квантовые свойства, но значительно слабее, чем классические — только тщательные эксперименты могут их выявить.

Именно такие эксперименты провели научные группы из Национального института стандартов и технологий и университета Аалто под руководством Джона Тойфеля (John D. Teufel) и Мики Силланпяя (Mika A. Sillanpää), соответственно. Первая экспериментально продемонстрировала и привела доказательства квантовой запутанности макроскопических объектов (вибрирующих мембран), а вторая исследовала обратное воздействие в квантово-механических измерениях аналогичной системы и нашла способы его избежать.

Обе работы несмотря на разные направления исследования использовали одну и ту же физическую систему — круглую сверхпроводящую алюминиевую мембрану диаметром 10 микрометров и массой 100 пикограмм, которая служит одной из пластин конденсатора. Конденсатор в свою очередь встроен в электрическую цепь и изменение напряжения в цепи приводит к регистрируемым механическим колебаниям пластины. Обе группы использовали схему с двумя чувствительными конденсаторами для того, чтобы следить за возникающими квантовыми корреляциями между ними.

Группа Тойфеля использовала микроволновые импульсы для возбуждения системы и измеряла корреляции в колебаниях микроволновых пластин. Если распределение корреляции имеет дисперсию меньше 0,5, то коррелирующие состояния будут запутаны. Измеренное учеными значение оказалось меньше 0,2. В отличие от предыдущих работ, авторы генерировали запутанность детерминировано, а не случайно, и проверяли ее наличие прямым экспериментальным способом, а не опираясь только на расчеты. Кроме того, из-за эффективности измерения, шум в системе не помешал подтвердить возникновение запутанности между двумя осциллирующими мембранами.

Другой полностью квантовый феномен — о разрушении состояния системы измерением — исследовала группа Силланпяя. В основе этого эффекта лежит принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно с любой заданной точностью измерить и положение объекта и его импульс, потому что точное измерение одной из этих величин приводит к неизбежному изменению другой. В случае постоянного отслеживания координаты, точность измерений определяется стандартным квантовым пределом. Поэтому авторы измеряли силу, действующую на мембрану — такое измерение стандартный квантовый предел не ограничивает. Кроме того, избежать влияния измерения на систему авторам позволило эффективное кодирование одного механического осциллятора с помощью двух физических. В таком случае возникает неопределенность в коллективных степенях свободы (например, при измерении среднего координаты двух осцилляторов), но не в индивидуальных.

Ученые использовали четыре разных микроволновых сигнала для измерения разных коллективных переменных системы (полусуммы и полуразности двух квадратур). Им удалось достигнуть большей точности, чем предсказывал стандартный квантовый предел при использовании одного осциллятора. Добавление обратной связи к схеме измерения, позволило авторам сгенерировать и стабилизировать квантовое запутанное состояние двух осцилляторов, что дополняет работу их коллег из Национального института стандартов и технологий.

Помимо экспериментального доказательства запутанности и возможности измерения с заданной точностью макроскопических объектов, работы обеих групп могут применяться для создания квантовых вентилей в вычислениях с непрерывными переменными, создания эффективных измерений или для преобразования информации между разными физическим платформами.

Вопросы неразрушающих измерений и генерации запутанности физики исследуют и в рамках других платформ с микрообъектами: российские физики использовали квантовую метрологию для высокоточных измерений, исследователи из Австралии и Японии провели неразрушающее измерение кубита на дефекте, а группе физиков из Китая и США удалось запутать охлажденный атом и молекулу.

Оксана Борзенкова