Микроскопическая стеклянная частица, парящая в луче лазера, стала первым объектом, чье движение физики надежно запутали со светом без криогенного охлаждения. Эксперимент группы Франческо Марина из Флорентийского университета открыл новые возможности для квантовой связи и проверки законов квантовой физики. Результаты опубликованы в журнале Science.
Квантовая запутанность — явление, при котором свойства двух систем становятся настолько тесно связанными, что их невозможно описать по отдельности. Физики неоднократно демонстрировали это на атомах и фотонах, но чем крупнее объект, тем труднее сохранить квантовое поведение: любое взаимодействие с окружающей средой разрушает хрупкие корреляции.
Марин и его команда взяли стеклянную сферу диаметром около 100 нм — размером с вирус, но содержащую десятки миллионов атомов. Чтобы изолировать сферу, ее поместили в камеру с почти полным вакуумом и заставили левитировать в оптическом пинцете — лазерном луче между двумя зеркалами, образующими оптический резонатор.
Главная трудность состояла в том, что свет, нужный для охлаждения сферы, одновременно нагревал и дестабилизировал частицу.
Решение состояло в том, чтобы разделить эти два явления, используя два разных лазера — один с красной, а другой с синей отстройкой от разных резонансов оптического резонатора — и объединить их в один двухцветный пинцет.
Свет с красной отстройкой охлаждал колебания сферы, а свет с синей отстройкой создавал запутанность, связывая положение и импульс частицы со свойствами света — квадратурами, аналогичными амплитуде и фазе.
Доказать квантовую природу корреляций было непросто. Когда сфера двигалась внутри резонатора, информация о ее движении кодировалась в свете. Измерив выходящий свет, исследователи восстановили корреляции и пересекли порог, отделяющий запутанные системы от разделяемых. Эксперимент длился несколько часов, пока в камере не установилось низкое давление.
Особую ценность результату придает то, что корреляции сохранились в свете, покинувшем резонатор. По словам Марина, распространяющееся поле — это по сути канал, который может соединить механическую систему с внешним миром. Такой свет можно передать по оптической сети или заставить взаимодействовать с другим квантовым устройством.
До практического применения пока далеко. Исследователям предстоит усилить запутанность, научиться управлять ею и соединить несколько наносфер в разных пинцетах в более крупную квантовую систему. Но базовый интерфейс уже работает.
Ранее Наука Mail рассказывала, что квантовый эффект доказан на самых тяжелых и быстро исчезающих частицах.