Οι φυσικοί έκαναν ένα νέο ρεκόρ συνδέοντας μαζί μια καυτή σούπα 15 τρισεκατομμυρίων ατόμων σε ένα παράξενο φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική εμπλοκή. Το εύρημα θα μπορούσε να είναι μια σημαντική ανακάλυψη για τη δημιουργία πιο ακριβών αισθητήρων για την ανίχνευση κυματισμών στο διάστημα που ονομάζονται βαρυτικά κύματα ή ακόμη και η αόριστη σκοτεινή ύλη που πιστεύεται ότι διαπερνά το σύμπαν.
Entanglement, ένα κβαντικό φαινόμενο που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν περιγράφηκε διάσημα ως «τρομακτική δράση σε απόσταση», είναι μια διαδικασία στην οποία δύο ή περισσότερα σωματίδια συνδέονται και κάθε ενέργεια που εκτελείται σε ένα επηρεάζει στιγμιαία τα άλλα, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται. Η εμπλοκή βρίσκεται στην καρδιά πολλών αναδυόμενων τεχνολογιών, όπως η κβαντική πληροφορική και η κρυπτογραφία.
Τα εμπλεγμένα κράτη είναι διαβόητα επειδή είναι εύθραυστα. Οι κβαντικοί σύνδεσμοί τους μπορούν εύκολα να σπάσουν από την παραμικρή εσωτερική δόνηση ή παρέμβαση από τον έξω κόσμο. Για το λόγο αυτό, οι επιστήμονες προσπαθούν να φθάσουν τις χαμηλότερες δυνατές θερμοκρασίες σε πειράματα για να μπλέξουν τα νευρικά άτομα. Όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο λιγότερο πιθανό είναι τα άτομα να αναπηδούν μεταξύ τους και να σπάσουν τη συνοχή τους. Για τη νέα μελέτη, οι ερευνητές του Ινστιτούτου Φωτονικής Επιστήμης (ICFO) στη Βαρκελώνη της Ισπανίας, υιοθέτησαν την αντίθετη προσέγγιση, θερμαίνοντας τα άτομα σε εκατομμύρια φορές θερμότερο από ένα τυπικό κβαντικό πείραμα για να δουν αν η εμπλοκή θα μπορούσε να συνεχιστεί σε ένα ζεστό και χαοτικό περιβάλλον.
“Η εμπλοκή είναι μια από τις πιο αξιοσημείωτες κβαντικές τεχνολογίες, αλλά είναι διάσημα εύθραυστη”, δήλωσε η Jia Kong, επισκέπτης επιστήμονας στο ICFO και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. “Η περισσότερη κβαντική τεχνολογία που σχετίζεται με την εμπλοκή πρέπει να εφαρμοστεί σε περιβάλλον χαμηλής θερμοκρασίας, όπως ένα ψυχρό ατομικό σύστημα. Αυτό περιορίζει την εφαρμογή καταστάσεων εμπλοκής. [Το εάν η εμπλοκή μπορεί να επιβιώσει σε ένα ζεστό και ακατάστατο περιβάλλον είναι ένα ενδιαφέρον ερώτηση.”
Οι ερευνητές θερμάνθηκαν ένα μικρό γυάλινο σωλήνα γεμάτο με εξατμισμένο ρουβίδιο και αδρανές αέριο άζωτο στους 350 βαθμούς Φαρενάιτ (177 βαθμούς Κελσίου), συμπτωματικά την τέλεια θερμοκρασία για να ψήνουν μπισκότα. Σε αυτήν τη θερμοκρασία, το καυτό σύννεφο ατόμων ρουβιδίου βρίσκεται σε κατάσταση χάους, με χιλιάδες ατομικές συγκρούσεις να συμβαίνουν κάθε δευτερόλεπτο. Όπως οι μπάλες μπιλιάρδου, τα άτομα αναπηδούν μεταξύ τους, μεταφέροντας την ενέργειά τους και περιστρέφονται. Αλλά σε αντίθεση με το κλασικό μπιλιάρδο, αυτή η περιστροφή δεν αντιπροσωπεύει τη φυσική κίνηση των ατόμων.
Στην κβαντική μηχανική, το σπιν είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα των σωματιδίων, όπως η μάζα ή το ηλεκτρικό φορτίο, που δίνει στα σωματίδια μια εγγενή γωνιακή ορμή. Με πολλούς τρόπους, η περιστροφή ενός σωματιδίου είναι ανάλογη με έναν περιστρεφόμενο πλανήτη, έχοντας τόσο γωνιακή ορμή όσο και δημιουργώντας ένα ασθενές μαγνητικό πεδίο , που ονομάζεται μαγνητική ροπή. Όμως, στον παράξενο κόσμο της κβαντικής μηχανικής, οι κλασικές αναλογίες καταρρέουν. Η ίδια η ιδέα ότι σωματίδια όπως πρωτόνια ή ηλεκτρόνια περιστρέφονται στερεά αντικείμενα μεγέθους και σχήματος δεν ταιριάζουν στην κβαντική κοσμοθεωρία. Και όταν οι επιστήμονες προσπαθούν να μετρήσουν την περιστροφή ενός σωματιδίου, λαμβάνουν μία από τις δύο απαντήσεις: πάνω ή κάτω. Δεν υπάρχουν in-betweens στην κβαντική μηχανική .
Ευτυχώς, τα μικροσκοπικά μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από την περιστροφή ενός σωματιδίου επιτρέπουν στους επιστήμονες να μετρούν την περιστροφή με διάφορους μοναδικούς τρόπους. Ένα από αυτά περιλαμβάνει πολωμένο φως ή ηλεκτρομαγνητικά κύματα που ταλαντεύονται σε μία μόνο κατεύθυνση.
Οι ερευνητές πυροβόλησαν μια ακτίνα πολωμένου φωτός στο σωλήνα των ατόμων ρουβιδίου. Επειδή οι περιστροφές των ατόμων ενεργούν σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες, η πόλωση του φωτός περιστρέφεται καθώς περνά μέσα από το αέριο και αλληλεπιδρά με το μαγνητικό του πεδίο. Αυτή η αλληλεπίδραση φωτός-ατόμου δημιουργεί εμπλοκή μεγάλης κλίμακας μεταξύ των ατόμων και του αερίου. Όταν οι ερευνητές μετρούν την περιστροφή των φωτεινών κυμάτων που βγαίνουν από την άλλη πλευρά του γυάλινου σωλήνα, μπορούν να προσδιορίσουν τη συνολική περιστροφή του αερίου των ατόμων, η οποία κατά συνέπεια μεταφέρει την εμπλοκή στα άτομα και τα αφήνει σε κατάσταση εμπλοκής.
“Η [μέτρηση] που χρησιμοποιήσαμε βασίζεται στην αλληλεπίδραση φωτός-ατόμου”, δήλωσε ο Κονγκ. “Με σωστές συνθήκες, η αλληλεπίδραση θα παράγει συσχέτιση μεταξύ φωτός και ατόμων και, στη συνέχεια, εάν κάνουμε σωστή ανίχνευση, η συσχέτιση θα μεταφερθεί σε άτομα, δημιουργώντας συνεπώς εμπλοκή μεταξύ ατόμων. Το εκπληκτικό πράγμα είναι ότι αυτές οι τυχαίες συγκρούσεις δεν καταστρέφουν το εμπλοκή ”
Στην πραγματικότητα, το “ζεστό και ακατάστατο” περιβάλλον μέσα στον γυάλινο σωλήνα ήταν το κλειδί για την επιτυχία του πειράματος. Τα άτομα βρίσκονταν σε αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν μια κατάσταση μακροσκοπικής περιστροφής, μια συλλογή ζευγών συνολικών περιστροφών αθροισμένων σωματιδίων στο μηδέν. Τα αρχικά εμπλεγμένα άτομα περνούν τον εμπλοκή τους μεταξύ τους μέσω συγκρούσεων σε ένα παιχνίδι κβαντικής ετικέτας, ανταλλάσσοντας τις περιστροφές τους αλλά διατηρώντας τη συνολική περιστροφή στο μηδέν και επιτρέποντας στην κατάσταση συλλογικής εμπλοκής να παραμείνει για τουλάχιστον ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Για παράδειγμα, το σωματίδιο Α εμπλέκεται με το σωματίδιο Β, αλλά όταν το σωματίδιο Β χτυπά το σωματίδιο C, συνδέει και τα δύο σωματίδια με το σωματίδιο C και ούτω καθεξής.
Αυτό “σημαίνει ότι 1.000 φορές το δευτερόλεπτο, μια νέα παρτίδα 15 τρισεκατομμυρίων ατόμων εμπλέκεται”, δήλωσε ο Κονγκ σε δήλωση . Ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου “είναι πολύ μεγάλος χρόνος για τα άτομα, αρκετά μεγάλος για να εμφανιστούν περίπου 50 τυχαίες συγκρούσεις. Αυτό δείχνει σαφώς ότι η εμπλοκή δεν καταστρέφεται από αυτά τα τυχαία γεγονότα. Αυτό είναι ίσως το πιο εκπληκτικό αποτέλεσμα της εργασίας.”
Επειδή οι επιστήμονες μπορούν να κατανοήσουν μόνο τη συλλογική κατάσταση των εμπλεγμένων ατόμων, η εφαρμογή της έρευνά τους περιορίζεται σε ειδικές χρήσεις. Τεχνολογίες όπως οι κβαντικοί υπολογιστές είναι πιθανότατα αδιαμφισβήτητο, δεδομένου ότι η κατάσταση των ατομικά εμπλεγμένων σωματιδίων πρέπει να είναι γνωστή για την αποθήκευση και την αποστολή πληροφοριών.
Ωστόσο, τα αποτελέσματά τους μπορεί να βοηθήσουν στην ανάπτυξη ανιχνευτών μαγνητικού πεδίου εξαιρετικά ευαίσθητων, ικανών να μετρήσουν μαγνητικά πεδία περισσότερο από 10 δισεκατομμύρια φορές ασθενέστερα από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Τέτοια ισχυρά μαγνητόμετρα έχουν εφαρμογές σε πολλούς τομείς της επιστήμης. Για παράδειγμα, στη μελέτη της νευροεπιστήμης, η μαγνητοεγκεφαλογραφία χρησιμοποιείται για τη λήψη εικόνων του εγκεφάλου ανιχνεύοντας τα εξαιρετικά εξασθενημένα μαγνητικά σήματα που εκπέμπονται από την εγκεφαλική δραστηριότητα.
“Ελπίζουμε ότι αυτό το είδος της τεράστιας εμπλεκόμενης κατάστασης θα οδηγήσει σε καλύτερη απόδοση αισθητήρων σε εφαρμογές που κυμαίνονται από απεικονίσεις εγκεφάλου, έως αυτοκίνητα αυτοκίνητης οδήγησης, έως αναζητήσεις για σκοτεινή ύλη”, δήλωσε ο Morgan Mitchell, καθηγητής φυσικής και επικεφαλής της ομάδας του εργαστηρίου. στη δήλωση.
Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύθηκαν στις 15 Μαΐου στο περιοδικό Nature Communications.