Стеклянную наносферу запутали со светом без глубокого охлаждения

Может ли крошечный стеклянный шарик, парящий в лазерном луче, оказаться квантово связанным со светом? Физики из Флорентийского университета показали, что такая связь возможна даже в лаборатории с комнатной температурой. В эксперименте движение наносферы диаметром около 100 нанометров оказалось запутано с оптическим полем, выходящим из специальной установки. Результат приближает исследователей к проверке квантовых законов на объектах, состоящих из множества атомов.

Квантовая запутанность возникает, когда две системы имеют общее состояние, которое нельзя полностью описать как набор независимых состояний каждой из них. Измерения обнаруживают между ними особые корреляции, не объяснимые простым классическим согласованием. При этом запутанность не позволяет мгновенно передавать сообщения на расстояние: результаты отдельных измерений остаются непредсказуемыми. Для физиков ценность явления заключается в возможности связывать разные квантовые устройства и изучать границу между квантовым и привычным миром.

Обычно поддерживать такую связь трудно. Чем сильнее объект взаимодействует с окружающим газом, тепловым излучением или вибрациями, тем быстрее разрушаются хрупкие квантовые корреляции. Этот процесс называют декогеренцией — утратой согласованности квантового состояния из-за взаимодействия со средой. Поэтому во многих экспериментах с механическими колебаниями ученым приходится использовать криогенное охлаждение, то есть температуры, близкие к абсолютному нулю.

Команда под руководством Франческо Марина выбрала другой путь. Вместо механического резонатора, закрепленного на подложке, она использовала стеклянную сферу, удерживаемую сфокусированным лазерным лучом. Такой инструмент называют оптическим пинцетом: свет создает силы, которые позволяют удерживать микроскопический объект без физической опоры. Отсутствие контакта с твердой поверхностью уменьшает один из каналов передачи нежелательных колебаний.

Диаметр сферы составлял примерно одну десятитысячную миллиметра. Она находилась в камере с очень низким давлением, между двумя зеркалами, образующими оптический резонатор. Свет многократно отражался между зеркалами и взаимодействовал с движением частицы. Сфера состоит из множества атомов, что делает наблюдение ее квантовых свойств особенно интересным.

Но возникла техническая проблема. Свет, который должен был связывать колебания сферы с оптическим полем, одновременно мог передавать ей случайные импульсы. Эти воздействия раскачивали частицу и угрожали выбить ее из ловушки. Чтобы разделить задачи стабилизации и создания запутанности, исследователи применили два лазерных поля с немного различающимися частотами. Одно помогало охлаждать движение и удерживать сферу в устойчивом состоянии, другое участвовало в создании квантовых корреляций.

Здесь важно различать температуру лаборатории и состояние движения самой сферы. Комната не охлаждалась до криогенных температур, но механические колебания частицы активно подавлялись светом. Кроме того, опыт проводился в высоком вакууме, а не в обычном воздухе. Следовательно, достижение состоит не в том, что запутанность вообще не нуждается в защите от окружающей среды, а в том, что ее удалось получить без охлаждения всей установки почти до абсолютного нуля.

Как убедиться, что стеклянная частица действительно запутана со светом? Ее положение и движение изменяют характеристики оптического поля, покидающего резонатор. Исследователи длительное время измеряли выходящий свет и анализировали взаимосвязь его квантовых флуктуаций с движением сферы. Затем они сравнили полученные корреляции с математическим критерием, позволяющим отличить запутанное состояние от допустимых классических корреляций.

Измерения преодолели соответствующий порог и указали на стационарную запутанность. Слово «стационарная» здесь не означает, что сфера перестала двигаться: речь об устойчивом режиме, в котором квантовая связь поддерживается при непрерывной работе установки. Существенно и то, что запутанность обнаруживалась у света, уже покинувшего резонатор. Это принципиально для будущих систем, где свет должен переносить квантовые корреляции от одного устройства к другому.

Однако эксперимент пока не создал сеть из нескольких сфер и не передал квантовое состояние между удаленными лабораториями. Ученым предстоит усилить запутанность, научиться надежно управлять ею и связать через свет два независимых механических объекта. Это необходимо для будущих квантовых сетей и датчиков.

Есть и более фундаментальная перспектива. Левитирующие объекты позволяют исследовать, насколько крупные системы способны сохранять квантовое поведение и как оно меняется под действием внешних сил. В будущем такие опыты могут пригодиться для чрезвычайно точных измерений и проверки теоретических моделей, связывающих квантовую физику с гравитацией. Пока же главный результат конкретен: движение стеклянной наносферы удалось устойчиво запутать с выходящим светом без криогенного охлаждения всей установки.