Відразу дві групи фізиків повідомили про те, що їм вдалося домогтися квантової заплутаності в системі двох мікромеханічних осциляторів, кожен з яких складається з декількох мільярдів атомів. В одній групі вчені використовували кремнієві оптомеханічні кристали, поєднані лазерними пучками. Інша група дослідників розглядала коливання двох мембран, поміщених над металевими платівками і пов'язаних електричним ланцюгом, по якому поширювалося мікрохвильове випромінювання. Обидві статті опубліковані в.
Квантовою заплутаністю називають явище, при якому квантові стани частинок виявляються скорельовані, тобто взаємопов'язані. Грубо кажучи, уявімо, що ми послідовно підкинули дві монетки, кожна з яких може з рівною ймовірністю випасти «орлом» або «решкою» вгору. Крім того, будемо вважати, що результати підкидання визначаються станом монетки, яке заздалегідь невідоме. Якщо монетки один з одним ніяк не пов'язані, результати їх підкидань незалежні - іншими словами, не важливо, якою стороною випала перша монетка, передбачити на підставі цього факту результат наступного досвіду не можна.
Це не так, якщо монетки заплутані: достатньо підкинути тільки одну монетку, щоб дізнатися стан другої. Наприклад, друга монетка завжди буде випадати тією ж стороною, що і перша. У разі частинок або інших квантових систем стан описується більш складними властивостями, проте суть залишається тією ж. Особливо цікаво, що квантові аналоги заплутаних монеток можна спочатку рознести на велику відстань і тільки потім порівняти результати «підкидань» - виявиться, що вони будуть взаємопов'язані навіть у цьому випадку, хоча монеткам доводиться обмінюватися інформацією з надсвітовою швидкістю. Детальніше про це явище можна прочитати в статті «Просто про квантову заплутаність».
Протягом довгого часу квантову заплутаність вдавалося експериментально спостерігати тільки для окремих частинок, в основному фотонів. Тим не менш, в 2009 році фізикам з США та Ізраїлю вперше вдалося заплутати механічні осцилятори, що складаються з пов'язаних іонів магнію і берилію, а до теперішнього часу вчені вже навчилися заплутувати кілька мільйонів атомів. Втім, до квантової заплутаності макроскопічних систем, що містять мільярди мільярдів частинок, справа поки ще не дійшла.
Цього тижня відразу дві групи фізиків наблизилися до цієї мети, заплутавши дві системи оптомеханічних осциляторів. Перша група, очолювана Саймоном Греблахером (Simon Gröblacher), використовувала як осциляторів тонкі кремнієві палички завдовжки близько десяти мікрометрів, на які прямували пучки лазерного випромінювання. Палички були обжаті по кінцях, а протягом всієї довжини в них були виконані отвори - завдяки фотопругості і тиску випромінювання довжина паличок починала періодично змінюватися, причому частота механічних коливань виявлялася пов'язана з частотою падаючих і виходять з палички фотонів завдяки процесу Стокса (тобто комбінаційному розсіюванню світла, Raman scattering). Осцилятори були змонтовані на спеціальному чіпі і відстояли один від одного на відстані близько двадцяти сантиметрів.
Взагалі кажучи, для заплутування таких осциляторів фотони, випромінювані на виході, повинні бути невідличні. Отже, власна механічна і оптична частота коливань осциляторів теж повинні збігатися з дуже хорошою точністю. Незважаючи на те, що сучасний рівень технологій не дозволяє повністю контролювати оптичну частоту на етапі виготовлення, і підсумковий розкид становить близько 0,1 відсотка, дослідники придумали спосіб обійти цю проблему - для цього вони виготовили близько сотні осциляторів з близькими частотами і відібрали серед них найбільш близькі. У результаті оптична частота відібраних приладів склала близько 193 терагерць, що відповідало довжині хвилі близько 1533,8 нанометра, а механічна частота приблизно дорівнювала 5,1 гігагерца. До того ж частоту механічних коливань системи можна було контролювати прямо в ході досвіду, підлаштовуючи параметри падаючого на трубочки випромінювання.
Для створення і підтвердження заплутаності між осциляторами вчені використовували наступну тришагову схему. На першому кроці кожен з механічних осциляторів охолоджувався до температури близько 60 мілікельвінів, щоб знизити вплив механічних коливань, які не мають відношення до розсіювання світла, тобто перевести осцилятори в основний стан.
На наступному кроці осцилятори поміщалися в різні плечі інтерферометра, а народжуються в них в результаті процесу Стокса фотони реєструвалися надпровідними детекторами. При цьому сила випромінювання була підібрана таким чином, щоб ймовірністю одночасного народження фотонів в обох осциляторах можна було знехтувати. Виходило, ніби осцилятори заплуталися - якщо в одному з них народжувався фотон і виникали механічні коливання, можна було стверджувати, що в іншому осциляторі коливань не виникало. У той же час, ділники лазерних пучків були встановлені не тільки перед осциляторами, але і після, тобто народження фотона реєстрували відразу обидва детектори. Оскільки оптична частота осциляторів збігалася, точно сказати, в якому з них народився фотон, було не можна.
Нарешті, на останньому кроці дослідники підтвердили, що осцилятори дійсно заплуталися. Для цього вони запускали в систему порівняно потужний «зчитувальний» імпульс - такий, щоб він викликав процес анти-Стокса і дозволяв вхопити механічний стан кожного з осциляторів, але не нагрівав їх і не приводив до декогеренції. В результаті між станами повної системи виникало додаткове фазове зрушення, змінюючи яке, можна було простежити за станами окремих осциляторів. Справді, виміряна вченими залежність свідчила про заплутаність трубочок.
У другій статті група фізиків під керівництвом Міка Силанпяя (Mika Sillanpä^) досліджувала квантову заплутаність на дещо іншій установці. Замість оптомеханічних осциляторів вони використовували більш звичні прилади, що складаються з металевої мембрани діаметром близько 15 мікрометрів, поміщеної над металевою платівкою. Власна частота механічних коливань таких осциляторів становила близько десяти мегагерц, а принцип їх роботи нагадував барабан або звичайні звукові динаміки.
Щоб заплутати осцилятори, вчені поєднали їх проводами, якими могли поширюватися мікрохвильові хвилі. При цьому осцилятори перебували на відстані близько 600 мікрометрів один від одного, тобто безпосередньо взаємодіяти не могли. Як і в першій статті, вчені охолодили установку до низької температури - на цей раз вона склала приблизно 14 мілікельвінів.
Потім вчені заплутали осцилятори, запускаючи в електричний ланцюг хвилі особливої форми - таке заплутування віддалено нагадує зв'язування двох маятників пружинкою. Після цього фізики направили на систему дві пробні хвилі з відомою різницею фаз і виміряли залежність середніх квадратів відхилень осциляторів від положення рівноваги. З'ясувалося, що при зміні фази ці величини змінювалися практично однаково - власне, це вказувало на заплутаність осциляторів.
За останні кілька років фізики домоглися великого прогресу у вивченні квантової заплутаності. Так, у червні 2016 року вчені з Університету Базеля і Національного Університету Сінгапуру заплутали систему стислих спинів, що складається з 480 атомів рубідію. Вже в березні минулого року дослідники з Університету Женеви навчилися заплутувати понад 16 мільйонів атомів за допомогою одного-єдиного фотона. Крім того, вчені постійно збільшують максимальну відстань, на яку можна передати заплутані частинки - наприклад, у вересні 2015 року ця відстань становила близько ста кілометрів, а в червні 2017-го перевищила тисячу кілометрів. Зокрема, це досягнення дозволило провести сеанс трансконтинентального квантового супутникового зв'язку між Віднем і Пекіном.
Детальніше прочитати про заплутування частинок і пов'язане з ним явище нелокальності можна в наших матеріалах "Квантова абетка: Телепортація «та» Квантова абетка: Нелокальність «, а також у уривку з книги Джорджа Массера» Нелокальність: Феномен, що змінює уявлення про простір і час, і його значення для чорних дір, Великого вибуху і теорій всього ".