Fizicienii au reușit pentru prima dată să obțină o stare de entanglement cuantic stabilă între mișcarea unei nanoparticule de sticlă în levitație și lumina care se îndepărtează de aceasta, fără a necesita răcirea întregului sistem la temperaturi criogenice. Experimentul deschide noi perspective pentru cercetarea fenomenelor cuantice și posibile aplicații în comunicațiile cuantice.
Detalii despre nanoparticulă și metoda folosită
Nanoparticula de sticlă are aproximativ 100 de nanometri în diametru, cu o dimensiune comparabilă cu aceea a unui virus. În interiorul acesteia se află zeci de milioane de atomi, ceea ce face demonstrația relevantă pentru studierea comportamentului cuantic al obiectelor de dimensiuni mai mari decât particulele simple.
Fizicienii au folosit tehnica denumită pensetă optică, în cadrul căreia un fascicul laser focalizat exercită o presiune de radiație suficientă pentru a menține nanoparticula suspendată în aer. Particula a fost plasată într-o cameră cu vid aproape complet, între două oglinzi care formează o cavitate optică.
Experimentele s-au concentrat asupra mișcării centrului de masă al nanoparticulei, nu asupra fiecărui atom în parte. Particula putea oscila în jurul poziției de echilibru, fiind suspendată doar prin intermediul luminii.
Controlul mișcării și crearea entanglementului
Pentru a aduce nanobila aproape de starea fundamentală cuantică, cercetătorii au folosit două lasere cu proprietăți diferite.
Primul fascicul, cu frecvența roșie, a răcit și stabilizat oscilațiile nanoparticulei, în timp ce al doilea fascicul, cu frecvența albastră, a fost utilizat pentru a crea entanglement între mișcarea sferei și lumina emisă.
Cele două fascicule au fost combinate într-o singură pensetă optică bicoloră, controlând separat răcirea și interacțiunea necesară pentru entanglement.
Corelația cuantică și măsurători
Corelația cuantică a legat poziția și impulsul nanoparticulei de cuadraturile câmpului luminos – reprezentări ale amplitudinii și fazei câmpului electromagnetic. Într-o stare de entanglement, aceste sisteme nu mai pot fi descrise independent.
O măsurătoare asupra luminii a furnizat informații despre starea nanoparticulei, modificând astfel descrierea sa cuantică. Stabilirea acestei corelații a fost făcută fără a fi necesar răcirea întregului sistem la temperaturi criogenice.
Rezultatele experimentului și semnificația lor
Victorie importantă a fost obținerea entanglementului fără răcirea sistemului la temperaturi extrem de scăzute. Laboratorul a rămas la temperatura camerei, fiind răcită doar mișcarea mecanică a nanoparticulei cu ajutorul laserelor.
Combinația de levitație, vid și răcire optică a permis menținerea comportamentului cuantic suficient pentru analiza corelațiilor. Măsurătorile au fost realizate pe lumina care părăsea cavitatea, amprenta mișcării nanoparticulei fiind reflectată în proprietățile luminii.
Datorită analizării cuadraturilor luminii, cercetătorii au confirmat că sistemul a atins pragul caracterizării entanglementului, chiar după luarea în calcul a incertitudinilor și ipotezelor alternative din analiză.
Persistența entanglementului în lumina emisă
Un aspect relevant al studiului este faptul că corelațiile cuantice nu au rămas limitate la lumina aflată în cavitate. Odată ce lumina a părăsit cavitatea, corelațiile au continuat să fie observabile în semnalul luminos.
Aceasta indică posibilitatea utilizării apoi a luminii entangled ca un canal cuantic pentru comunicații, având în vedere că și după părăsirea sistemului, proprietățile corelate persistă în semnalul transmis.
