Cât de mare poate fi lumea cuantică? Fizicienii sondează limitele

Este o simplă pată de materie – o bucată de cristal de siliciu nu mai mare decât un virus, levitată într-un fascicul de lumină. Dar este aproape la fel de nemișcată pe cât permit legile fizicii. Două echipe de cercetători, din Austria și Elveția, au reușit în mod independent să înghețe astfel de nanoparticule minuscule, de doar 100 până la 140 nanometri, aproape în totalitate în starea lor cuantică cu cea mai mică energie, oferindu-le efectiv o temperatură cu doar câteva milionimi de grad peste absolut zero – și fixarea lor în loc cu o precizie nepământeană. Ținerea unei nanoparticule atât de strâns într-un singur loc este doar începutul. Scopul este de a pune aceste obiecte într-o așa-numită suprapunere cuantică – unde devine imposibil de spus, înainte de a le măsura, exact unde se află.

O particulă dintr-o suprapunere ar putea fi găsită într-unul sau două sau mai multe locuri și pur și simplu nu știi în care dintre ele va fi până nu te uiți. Este probabil cel mai uimitor exemplu al modului în care mecanica cuantică pare să insiste asupra faptului că lumea noastră familiară a obiectelor cu proprietăți și poziții definite se naște doar prin actul de a o privi. Suprapunerile de particule subatomice, atomi și „particule” de lumină fără masă numite fotoni sunt bine stabilite. Dar, deoarece astfel de efecte cuantice tind să fie foarte ușor perturbate atunci când particulele interacționează cu mediul înconjurător, configurarea suprapunerilor devine rapid mai dificilă pe măsură ce obiectele devin mai mari și experimentează mai multe interacțiuni. Aceste interacțiuni tind să distrugă aproape instantaneu o suprapunere și să lase obiectul cu proprietăți unice, bine definite.

Cu toate acestea, cercetătorii au crescut în mod constant dimensiunea la care se pot observa suprapuneri și efecte cuantice conexe – de la particule la molecule mici, apoi molecule mai mari și acum, speră, bucăți de materie la scară nano. Nimeni nu știe cât de departe poate continua, în principiu, această expansiune a cuantității. Există – așa cum cred unii – o limită de dimensiune la care pur și simplu dispare, poate pentru comportamentul cuantic este incompatibil cu gravitația (care este neglijabilă pentru atomi și molecule)? Sau nu există o limită fundamentală pentru cât de mare poate fi cantitatea? Aceste întrebări au apărut de-a lungul istoriei de-a lungul secolului teoriei cuantice. Acum, pentru prima dată, cercetătorii sunt pe punctul de a le putea răspunde – și poate de a indica calea spre a descrie modul în care gravitația se încadrează în lumea cuantică. „Lucrez la suprapuneri macroscopice de 10 ani”, a spus teoreticul cuantic Oriol Romero-Isart de la Universitatea din Innsbruck din Austria, unul dintre liderii în domeniu, „dar acum suntem într-un moment foarte oportun. ” În anii următori, am putea descoperi dacă lumea este cuantică sau nu până la capăt. O particulă cuantică într-o suprapunere, contrar credinței obișnuite, nu se află într-adevăr în două (sau mai multe) stări simultan. Mai degrabă, o suprapunere înseamnă că există mai multe rezultate posibile ale unei măsurători. Pentru un obiect la scară cotidiană, descris de fizica clasică, nu are sens – este fie aici, fie acolo, roșu sau albastru. Dacă nu putem spune care este, asta este doar din cauza ignoranței noastre: nu ne-am uitat. Dar pentru suprapunerile cuantice, pur și simplu nu există un răspuns clar – proprietatea „poziției” este deficitară. Cu toate acestea, dacă vedem doar un rezultat sau altul atunci când privim, cum putem ști că particula se afla într-o suprapunere înainte de a privi? Răspunsul este că atâta timp cât nu încercăm să aflăm care este rezultatul – atâta timp cât nu măsurăm acea proprietate – cele două (sau mai multe) alternative întrupate cumva în suprapunere pot interfera una cu alta, doar ca două valuri.

Acest comportament ondulat este întruchipat într-o entitate matematică numită funcția de undă, care codifică tot ceea ce putem spune despre particulă. Interferența cuantică este văzută cel mai bine când o particulă trece prin două fante distanțate într-un ecran. Dacă nu ne uităm să vedem prin ce fantă trece particula, atunci particula se va comporta la fel ca o undă de apă, iar funcția ei de undă se va răspândi prin ambele fante simultan, creând un model de interferență. Dar dacă așezăm un dispozitiv de măsurare printr-o fantă pentru a ne spune dacă fiecare particulă a trecut sau nu – pentru a observa calea particulelor – atunci modelul de interferență dispare. Cât de mari pot obține obiectele și se pot comporta în continuare ca „unde de materie” interferente? Fizicianul cuantic Anton Zeilinger și colegii săi de la Universitatea din Viena au studiat această întrebare în 1999 cu un experiment cu dublă fantă folosind molecule de carbon numite fullerene (C60), realizate din exact 60 de atomi de carbon legați în inele hexagonale și pentagonale precum pielea. pete ale unei mingi de fotbal. Ei au găsit un model clar de interferență, demonstrând că chiar și molecule precum C60 – la 0,7 nanometri lățime, mult mai mari și mai înalte decât un atom individual – ar putea fi puse într-o suprapunere. Poate la fel de important, au continuat să studieze modul în care acel superpoziție a dispărut. Interacțiunile dintre o particulă cuantică și particulele învecinate, cum ar fi moleculele de gaz sau fotoni, încurcă ambele obiecte într-un fel de stare cuantică comună. În acest fel, o suprapunere a particulei originale se răspândește în mediu. Mai degrabă ca o picătură de cerneală care se difuzează și se răspândește într-un pahar cu apă, această suprapunere răspânditoare face din ce în ce mai greu să o vezi pe cea originală, cu excepția cazului în care te uiți la fiecare loc în care s-a răspândit și îl reconstruiești din aceste informații. Pe măsură ce încurcarea amestecă funcția de undă a particulei inițiale suprapuse cu cele ale particulelor sale înconjurătoare, funcția de undă pare să piardă coerența și să devină doar o masă de unde mici incoerente.

Acest proces se numește decoerență și face suprapunerea nedetectabilă în obiectul original: natura sa cuantică pare să dispară, cu alte cuvinte, extinderea scalei cuantice până la dimensiuni în care gravitatea ar putea să ne învețe lucruri noi despre mecanica cuantică, gravitația și ascunsul. aspecte ale universului. Proiectul va împinge capacitățile tehnologice la limită, dar recompensa ar putea fi enormă. Și reapariția actuală a interesului pentru crearea fenomenelor cuantice, cum ar fi suprapunerea și încurcarea la scări mari, nu este o întâmplare, a spus Arndt – pentru că tocmai acestea vor fi necesare dacă vom mări computerele cuantice astfel încât să aibă multe mii sau chiar milioane de biți cuantici încurcați. „Tehnologiile cuantice vor primi investiții de zeci de miliarde de dolari în următorii ani”, a spus el, „și vom înțelege mai bine fundamentele teoriei care stau la baza acestor speranțe tehnologice”.

Sursa: quantamagazine.org