Με τρία ατομικά νέφη των οποίων τα σπιν (μπλε) βρίσκονται σε κατάσταση διεμπλοκής μεταξύ τους από απόσταση, οι ερευνητές μπορούν να μετρήσουν τη χωρική διακύμανση ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Πηγή: Enrique Sahagún, Scixel / Πανεπιστήμιο της Βασιλείας, Τμήμα Φυσικής
Μεταμορφώνεται ο τρόπος μέτρησης του κόσμου – Πώς τα πεπλεγμένα άτομα βοηθούν τους επιστήμονες να μετρούν με εξαιρετική ακρίβεια
Τα πεπλεγμένα άτομα, διαχωρισμένα στον χώρο, προσφέρουν στους επιστήμονες έναν νέο ισχυρό τρόπο να μετρούν τον κόσμο με εκπληκτική ακρίβεια.
Στην κβαντική μηχανική, τα «πεπλεγμένα άτομα» αναφέρονται σε δύο ή περισσότερα σωματίδια (όπως άτομα ή φωτόνια) που συνδέονται με έναν ιδιαίτερο τρόπο, ώστε η κατάσταση του ενός να εξαρτάται άμεσα από την κατάσταση του άλλου, ακόμα και αν αυτά είναι απομακρυσμένα.
Αυτή η φαινόμενη “σύνδεση” μεταξύ των σωματιδίων αποκαλείται «κβαντική διεμπλοκή» ή «πεπλεγμένη κατάσταση».
Ένα κλασικό παράδειγμα είναι όταν δύο φωτόνια εκπέμπονται ταυτόχρονα και η μέτρηση της κατάστασης του ενός φωτονίου επηρεάζει αμέσως την κατάσταση του άλλου, ανεξάρτητα από την απόσταση που τα χωρίζει.
Αυτή η φαινόμενη «σύνδεση» προκαλεί εντυπωσιακές και παράδοξες συνέπειες για την κατανόησή μας για τον κόσμο σε μικρο-κλίμακα, και είναι βασική για την ανάπτυξη τεχνολογιών όπως η κβαντική υπολογιστική και η κρυπτογραφία.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Βασιλείας και το Laboratoire Kastler Brossel απέδειξαν ότι η κβαντική διεμπλοκή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση πολλαπλών φυσικών μεγεθών ταυτόχρονα, με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι ήταν δυνατό μέχρι πρότινος.
Η διεμπλοκή θεωρείται ευρέως ως ένα από τα πιο παράξενα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής.
Όταν δύο κβαντικά αντικείμενα είναι πεπλεγμένα, οι μετρήσεις που γίνονται σε αυτά μπορούν να συνδέονται ακόμη και αν τα αντικείμενα βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους.
Αυτές οι συνδέσεις εμφανίζονται ως στατιστικές συσχετίσεις τις οποίες η κλασική φυσική δεν μπορεί να εξηγήσει.
Μπορεί να φαίνεται σχεδόν σαν η μέτρηση ενός αντικειμένου να επηρεάζει το άλλο από απόσταση. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως παράδοξο Einstein-Podolsky-Rosen, επιβεβαιώθηκε πειραματικά και αργότερα αναγνωρίστηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2022.
Βασιζόμενη σε αυτά τα θεμέλια, μια ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή δρα Philipp Treutlein στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας και την καθηγήτρια δρα Alice Sinatra στο Laboratoire Kastler Brossel (LKB) στο Παρίσι, απέδειξε ότι η διεμπλοκή μεταξύ φυσικά διαχωρισμένων κβαντικών συστημάτων μπορεί να αξιοποιηθεί για πρακτικές μετρήσεις.
Η εργασία τους δείχνει ότι πεπλεγμένα σωματίδια διασκορπισμένα στον χώρο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξαγωγή αρκετών φυσικών παραμέτρων ταυτόχρονα με βελτιωμένη ακρίβεια.
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Science.
«Η κβαντική μετρολογία, η οποία αξιοποιεί τα κβαντικά φαινόμενα για τη βελτίωση των μετρήσεων φυσικών μεγεθών, αποτελεί πλέον ένα εδραιωμένο ερευνητικό πεδίο», λέει ο Treutlein.
Πριν από περίπου 15 χρόνια, ο ίδιος και οι συνεργάτες του ήταν από τους πρώτους που πέτυχαν τη διεμπλοκή των σπιν εξαιρετικά ψυχρών ατόμων.
Αυτά τα σπιν μπορούν να θεωρηθούν ως μικροσκοπικές βελόνες πυξίδας.
Όταν βρίσκονται σε κατάσταση διεμπλοκής, επιτρέπουν στους ερευνητές να προσδιορίσουν τον προσανατολισμό τους με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι θα ήταν εφικτό αν κάθε άτομο μετριόταν ανεξάρτητα.
«Ωστόσο, εκείνα τα άτομα βρίσκονταν όλα στην ίδια τοποθεσία», εξηγεί ο Treutlein: «Τώρα επεκτείναμε αυτή την ιδέα διανέμοντας τα άτομα σε έως και τρία χωρικά διαχωρισμένα νέφη. Ως αποτέλεσμα, τα αποτελέσματα της διεμπλοκής δρουν από απόσταση, ακριβώς όπως στο παράδοξο EPR».
Αυτή η προσέγγιση ανοίγει νέες δυνατότητες για τη μέτρηση του τρόπου με τον οποίο οι φυσικές ποσότητες μεταβάλλονται από σημείο σε σημείο.
Για παράδειγμα, προκειμένου να χαρτογραφήσουν τη χωρική κατανομή ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν πεπλεγμένα ατομικά σπιν που είναι διαχωρισμένα στον χώρο.
Όπως συμβαίνει και με τις μετρήσεις που γίνονται σε μία μόνο τοποθεσία, η διεμπλοκή μειώνει την αβεβαιότητα που προκύπτει από τα κβαντικά φαινόμενα.
Μπορεί επίσης να βοηθήσει στην εξουδετέρωση εξωτερικών διαταραχών που επηρεάζουν όλα τα άτομα με τον ίδιο τρόπο.
«Μέχρι στιγμής, κανείς δεν είχε πραγματοποιήσει μια τέτοια κβαντική μέτρηση με χωρικά διαχωρισμένα νέφη πεπεπλεγμένων ατόμων, ενώ και το θεωρητικό πλαίσιο για τέτοιες μετρήσεις παρέμενε ασαφές», λέει ο Yifan Li, ο οποίος εργάστηκε στο πείραμα ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του Treutlein.
Μαζί με συναδέλφους από το LKB, η ομάδα διερεύνησε πώς να ελαχιστοποιήσει την αβεβαιότητα της μέτρησης όταν χρησιμοποιούνται πεπεπλεγμένα νέφη για τη μελέτη της χωρικής δομής ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.
Για την πραγματοποίηση του πειράματος, οι ερευνητές αρχικά επέφεραν διεμπλοκή στα ατομικά σπιν εντός ενός μεμονωμένου νέφους.
Στη συνέχεια, χώρισαν αυτό το νέφος σε τρία μέρη, τα οποία παρέμειναν πεπεπλεγμένα μεταξύ τους.
Χρησιμοποιώντας μόνο έναν μικρό αριθμό μετρήσεων, κατάφεραν να προσδιορίσουν την κατανομή του πεδίου με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι θα αναμενόταν χωρίς τη διεμπλοκή μεταξύ των απομακρυσμένων νεφών.
«Τα πρωτόκολλα μετρήσεών μας μπορούν να εφαρμοστούν απευθείας σε υπάρχοντα όργανα ακριβείας, όπως τα ρολόγια οπτικού πλέγματος», λέει ο Lex Joosten, διδακτορικός φοιτητής στην ομάδα της Βασιλείας.
Σε αυτά τα ρολόγια, τα άτομα συγκρατούνται στη θέση τους από φως λέιζερ διατεταγμένο σε μορφή πλέγματος και λειτουργούν ως εξαιρετικά σταθεροί χρονομετρητές.
Οι νέες μέθοδοι θα μπορούσαν να μειώσουν ορισμένα σφάλματα που προκαλούνται από τον τρόπο κατανομής των ατόμων στο πλέγμα, οδηγώντας σε ακόμη ακριβέστερες μετρήσεις του χρόνου.
Οι ίδιες αρχές θα μπορούσαν επίσης να βελτιώσουν τα συμβολόμετρα ατόμων, τα οποία είναι όργανα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της επιτάχυνσης της βαρύτητας της Γης.
Σε ορισμένες εφαρμογές, γνωστές ως βαρυτητόμετρα, οι επιστήμονες ενδιαφέρονται ιδιαίτερα για το πώς μεταβάλλεται η βαρύτητα στον χώρο.
Με τη χρήση πεπεπλεγμένων ατόμων, αυτές οι διακυμάνσεις θα μπορούσαν να μετρηθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι στο παρελθόν, προσφέροντας πιο οξυδερκή εργαλεία για την μελέτη της βαρύτητας και του περιβάλλοντος.