Inseparabilitatea cuantică la scară macroscopică

Inseparabilitatea cuantică se referă la corelarea şi interacţiunea a două particule sau obiecte într-un mod care nu este posibil în conformitate cu regulile fizicii clasice. Chiar dacă aceste obiecte sunt îndepărtate unele de altele, proprietățile lor rămân legate într-un mod enigmatic.

Acesta este un fenomen ciudat pe care Albert Einstein l-a descris ca fiind o „acțiune înfricoșătoare la distanță”, dar tocmai ciudățenia sa este ceea ce îl face atât de fascinant pentru oamenii de știință.

Într-o cercetare recentă, inseparabilitatea cuantică a fost observată și înregistrată direct la o scară macroscopică, adică la o scară mult mai mare decât cea a particulelor subatomice care sunt asociate, în mod normal, cu acest fenomen.

Din perspectiva noastră, scara dimensională în acest caz este încă foarte mică, din moment ce în aceste experimente s-au utilizat două tobe din aluminiu cât o cincime din lățimea unui fir de păr uman, dar în domeniul fizicii cuantice acestea sunt absolut imense.

Inseparabilitatea cuantică în tobe macroscopice. Credit:  J. Teufel/NIST

„Analiza independentă a datelor privind poziția și impulsul a două tobe macroscopice ne-a arătat că ceea ce părea o mișcare aleatorie a unei tobe era de fapt o mişcare corelată cu a celeilalte tobe, într-un mod care este posibil doar prin inseparabilitatea cuantică”, a declarat fizicianul John Teufel de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) din SUA.

Deși nu s-a exclus posibilitatea ca inseparabilitatea cuantică să se manifeste şi în cazul obiectelor macroscopice, până acum s-a crezut că efectele acesteia nu sunt vizibile la scări dimensionale mai mari sau că scara macroscopică este guvernată de un alt set de reguli.

Noua cercetare sugerează că aceasta nu este realitatea. De fapt, aceleași reguli cuantice se aplică și în acest caz și ele pot fi observate în mod direct.

Pentru aceasta cercetătorii au vibrat membranele unor tobe macroscopice folosind fotoni din domeniul microundelor pe care le-au menținut într-o stare sincronizată în ceea ce privește poziția și viteza.

Pentru a preveni interferențele exterioare, o problemă obișnuită în cazul stărilor cuantice, tobele au fost răcite, iar starea lor a fost măsurată, în etape separate, în timp ce se aflau într-o incintă răcită criogenic. Stările tobelor au fost apoi codificate într-un câmp reflectat de microunde care a funcționat într-un mod similar cu radarul.

Unele studii anterioare au raportat, de asemenea, inseparabilitatea cuantică macroscopică, dar noua cercetare a mers mai departe: toate măsurătorile necesare au fost înregistrate şi nu deduse, iar inseparabiitatea cuantică a fost generată, într-un mod determinist, non-aleatoriu.

Într-o serie de experimente conexe, dar separate, cercetătorii care lucrează cu tobe macroscopice (oscilatoare) într-o stare de inseparabilitate cuantică au arătat cum este posibil să se măsoare poziția și impulsul acestora în același timp.

„În lucrarea noastră, tobele prezintă o mișcare cuantică colectivă. Ele vibrează într-o fază opusă, astfel încât atunci când una dintre ele se află într-o poziție finală a ciclului de vibrații, cealaltă se află într-o poziție opusă, în același timp.

În această situație, incertitudinea cuantică a mișcării tobei este anulată dacă cele două tobe sunt considerate o singură entitate mecanică cuantică”, a declarat fizicianul Laure Mercier de Lepinay, de la Universitatea Aalto din Finlanda.

Această afirmaţie este în legătură cu principiul incertitudinii al lui Werner Heisenberg: poziția și impulsul nu pot fi perfect măsurate în același timp.

Pe lângă faptul că susține demonstrarea inseparabilităţii cuantice macroscopice, această cercetare oferă indicii  importante privind frontiera dintre fizica clasică și fizica cuantică.

Una dintre potențialele aplicații viitoare ale acestor descoperiri o reprezintă rețelele cuantice, care vor fi capabile să manipuleze și să aducă într-o stare de inseparabilitate cuantică obiecte la scară macroscopică, astfel încât să fie utilizate de viitoarele rețele de comunicații cuantice.

„În afară de aplicațiile practice, aceste experimente relevă limita de observare a unor fenomene cuantice distincte în cadrul unor experimente de pe tărâmul macroscopic”, au scris fizicienii Hoi-Kwan Lau și Aashish Clerk, care nu au fost implicați în studiu, într- un comentariu privind noua cercetare.

Studiul a fost publicat în Science.

Traducere după Quantum Entanglement Has Now Been Directly Observed at a Larger Macroscopic Scale