Физикам удалось создать необычную квантовую систему: крошечная частица стекла левитировала в луче света, а её движение оказалось квантово запутано со светом. Причём для этого не понадобилось охлаждать всю установку до экстремально низких температур.
Исследователи называют результат важным шагом, который в будущем может пригодиться для квантовой связи и экспериментов с фундаментальными законами квантовой физики.
В центре эксперимента находилась стеклянная наносфера диаметром всего около 100 нанометров — примерно размером с вирус. Для человеческого глаза она совершенно незаметна, однако с точки зрения квантовой физики это уже довольно крупный объект: в нём содержатся десятки миллионов атомов.
Учёных интересовало не квантовое состояние отдельных атомов, а движение всей сферы целиком.
Чтобы ничто не мешало этому движению, частицу ни к чему не прикрепляли. Её удерживали в воздухе с помощью сильно сфокусированного лазерного луча — так называемого оптического пинцета. Давление света не давало сфере упасть, но позволяло ей слегка колебаться около положения равновесия.
Вся система находилась почти в вакууме, чтобы столкновения с окружающими частицами не разрушали хрупкие квантовые эффекты.
Однако возникла проблема. Чтобы приблизить движение сферы к квантовому состоянию, его необходимо было охлаждать и стабилизировать светом. Но свет, который должен был создавать квантовую запутанность, наоборот, нагревал движение частицы и в конечном итоге делал систему нестабильной.
Поэтому физики разделили эти две задачи между двумя лазерами.
Один лазер охлаждал и стабилизировал крошечные колебания сферы, приближая её движение к квантовому основному состоянию. Второй использовался для создания квантовой связи между этим движением и светом.
В результате положение и импульс колеблющейся наносферы оказались связаны с характеристиками светового поля. После возникновения запутанности сферу и свет уже нельзя было полностью описывать как две независимые системы.
Как объясняет физик Франческо Марин из Флорентийского университета, измерение свойств света в такой системе связано с состоянием самой наносферы. Правильным становится только совместное описание движения частицы и электромагнитного поля.
Особенно примечательно, что лаборатория при этом оставалась при комнатной температуре.
Лазеры охлаждали не всю установку, а лишь конкретное движение наносферы. Левитация, глубокий вакуум и оптическое охлаждение позволили квантовым корреляциям возникнуть раньше, чем воздействие окружающей среды успевало их разрушить.
Но создать запутанность недостаточно — необходимо ещё доказать, что наблюдаемая связь действительно квантовая, а не объясняется обычной физикой.
Именно здесь помог свет, покидавший установку.
Когда наносфера колебалась между зеркалами, информация о её движении записывалась в свойства света. Исследователи измеряли выходящий свет и по нему восстанавливали связь между положением и импульсом частицы и характеристиками светового поля.
Квантовая теория позволяет определить границу, ниже которой две системы считаются запутанными. Полученные измерения пересекли эту границу и оставались в квантовой области даже после учёта погрешностей эксперимента и изменения условий анализа.
Это убедило исследователей в том, что они действительно наблюдали квантовую запутанность между движением стеклянной наносферы и светом.
Сам эксперимент при этом оказался далеко не мгновенным. Камере требовалось несколько часов, чтобы достичь достаточно низкого давления, а три лазерные системы должны были всё это время сохранять стабильность.
Даже после начала измерений результат проявлялся постепенно: по мере накопления и обработки всё большего объёма данных статистические признаки запутанности становились всё заметнее.
Однако наиболее интересным оказался следующий этап. Свет, запутанный с движением наносферы, не оставался внутри системы — он выходил наружу.
Квантовые корреляции сохранялись в распространяющемся от частицы свете. Теоретически такой свет можно направить по оптической сети, измерить в другом месте или заставить взаимодействовать с другим квантовым устройством.
Именно это делает эксперимент особенно перспективным. Свет, существующий только внутри системы зеркал, трудно использовать где-то ещё. А выходящий наружу свет уже может выступать каналом между механической квантовой системой и внешним миром.
До практического применения ещё далеко. Учёным предстоит усилить запутанность и научиться управлять ею, а не просто наблюдать устойчивое состояние.
В перспективе это может позволить записывать квантовую информацию в механическое движение, хранить её и затем извлекать обратно.
Следующая задача исследователей — превратить созданную систему из объекта наблюдения в управляемый квантовый интерфейс, а затем попробовать соединить несколько подобных левитирующих наносфер в более крупную квантовую систему.
Исследование опубликовано в журнале Science.
