28. september 2020

Kvantemekanisk entanglement af adskilte store objekter

Kvanteteknologi:

Det er lykkedes for et hold af forskere ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet at opnå entanglement mellem to meget forskellige kvantemekaniske objekter. Resultatet, der potentielt set vil kunne anvendes til ultrapræcise målinger og kvantekommunikation, er blevet offentliggjort i Nature Physics.

Lys bevæger sig igennem atomskyen, der er vist i midten, og rammer derefter SiN-membranen vist til venstre.
Lys bevæger sig igennem atomskyen, der er vist i midten, og rammer derefter SiN-membranen vist til venstre. Som følge af interaktionen med lys korreleres præcessionen af atomernes spin og membranens vibration på kvanteniveau. Dette er selve essensen af entanglement mellem atomerne og membranen.

Entanglement, også kendt som kvantemekanisk sammenfiltring, er selve grundlaget for kvantekommunikation og kvantesensorer. Det kan forklares som en kvantemekanisk forbindelse mellem to objekter, der får dem til at opføre sig som ét samlet kvantemekanisk objekt. Nu har forskere ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet formået at entangle to tydeligt forskellige og adskilte objekter. Det ene objekt er en mekanisk oscillator, dvs. en vibrerende dielektrisk membran, og det andet er en sky af atomer, som hver især fungerer som en mikroskopisk magnet – det som fysikere kalder spin.

Det er nu blevet muligt at entangle disse to meget forskellige objekter ved at forbinde dem ved hjælp af fotoner, altså lyspartikler. Atomer kan være nyttige i behandlingen af kvanteinformation, og membraner – eller mekaniske kvantesystemer generelt set – kan være nyttige til lagring af kvanteinformation.

Professor Eugene Polzik, som har stået i spidsen for projektet, udtaler, at: “Med denne nye metode er vi godt på vej til at flytte grænserne for de muligheder entanglement giver os. Jo større objekterne er, jo længere de befinder sig fra hinanden, og jo mere forskellige de er, desto mere interessant bliver entanglement'en set fra både det fundamentale og det praktiske perspektiv. Med dette nye resultat er det nu blevet muligt at entangle meget forskellige objekter.”

Hvad er entanglement, og hvordan kan det anvendes?

For at forstå den fulde betydning af det nye resultat, er det vigtigt at forstå, hvad begrebet “Entanglement” præcist dækker over:

For at holde sig i den samme analogi, så tænk på spinnene af atomerne, der entangles med en mekanisk membran, og forestil dig den vibrerende membrans placering, samt hældningen af det samlede spin af alle atomerne, der opfører sig som en snurretop. Hvis de to objekter bevæger sig tilfældigt, men vi observerer, at de begge bevæger sig til højre eller venstre på samme tid, kaldes dette for en “korrelation”. En sådan korreleret bevægelse er normalt begrænset til den såkaldte nulpunktsbevægelse – den tilbageværende, ukorrelerede bevægelse af alt stof der forekommer - selv ved det absolutte nulpunkt. Dette begrænser vores viden om begge systemer.

I dette eksperiment har Eugene Polziks forskningsgruppe entanglet systemerne, hvilket betyder, at de bevæger sig på en korreleret måde med større præcision, end der observeres ved nulpunktsbevægelsen. “Kvantemekanik er lidt som et dobbeltægget sværd – det giver os fantastiske nye teknologier, men begrænser også nøjagtigheden af målinger, der ellers ville være nemme at udføre fra et klassisk synspunkt,” udtaler postdoc Michał Parniak. Entanglede systemer kan være perfekt korrelerede – også selvom de befinder sig fjernt fra hinanden – og dette faktum har skabt stor undren hos forskere lige siden kvantemekanikkens fødsel for mere end 100 år siden.

Ph.d.-studerende Christoffer Østfeldt forklarer yderligere: “Forestil dig de forskellige måder at realisere kvantetilstande på, som en slags zoologisk have bestående af virkeligheder eller situationer med forskellige egenskaber og muligheder. Hvis vi f.eks. ønsker at bygge en anordning af en art, er det nødvendigt at opfinde et sprog de alle kan kommunikere på, hvis vi skal kunne udnytte alle de forskellige egenskaber de besidder, og de måder hvorpå de udfører forskellige funktioner og løser forskellige opgaver.

Kvantetilstandene skal altså kunne kommunikere med hinanden, før vi kan udnytte det fulde potentiale af anordningen. Dette har entanglement'en mellem de to elementer i den zoologiske have vist os, at vi nu er i stand til.” 

Et specifikt eksempel på fremtidsperspektiverne for entanglement af forskellige kvanteobjekter er kvantesensorer. Forskellige objekter påvirkes af forskellige eksterne kræfter. F.eks. anvendes mekaniske oscillatorer som accelerometre og kraftmålere, hvorimod atomare spin anvendes i magnetfeltsmålere. Når kun ét af de to forskellige entanglede objekter udsættes for ekstern påvirkning, gør entanglementen det muligt at måle denne med en følsomhed, som ikke er begrænset af objektets nulpunktsudsving.

Fremtidsudsigterne for anvendelsen af den nye metode

Der foreligger en meget umiddelbar anvendelsesmulighed for denne metode i sensorer for både meget små og større oscillatorer. En af de største videnskabelige nyheder i de seneste år var den første måling af tyngdebølger, som blev foretaget ved Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). LIGO registrerer og måler ekstremt svage bølger forårsaget af astronomiske begivenheder i det ydre rum, såsom kollisioner af sorte huller eller neutronstjerner. Det er muligt at observere disse bølger, fordi de får interferometrets spejle til at ryste. Men selv LIGO’s følsomhed er begrænset af kvantemekanikken, eftersom nulpunktsudsving også får laser-interferometrets spejle til at ryste. Disse udsving fører til støj, som forhindrer observation af den mikroskopiske bevægelse af spejlene, der forårsages af tyngdebølgerne.

Sandsynlighed for, at ubegrænset præcision ved måling er opnåeligt

Det er i princippet muligt at entangle LIGO-spejlene med en atomsky, og derved modvirke spejlenes nulpunktsstøj på samme måde, som det ses med støjen fra membranen i det aktuelle eksperiment. Den perfekte korrelation mellem spejlene og spinnene fra atomerne, der opstår som følge af deres entanglement, kan benyttes i sådanne sensorer til at fjerne praktisk talt enhver usikkerhed. Det kræver blot, at vi tager information fra ét system og anvender denne i det andet. Vi kan på denne måde få information om både placeringen og hastigheden af LIGO-spejlene på samme tid, og træde ind i et såkaldt kvantemekanikfrit underrum, hvorved vi ville være et skridt nærmere ubegrænset præcision i målinger af placering og hastighed. Et forsøg, som demonstrerer dette princip, er under udvikling i Eugene Polziks laboratorier.