Die Quantenmechanik hat einen fairen Anteil an beunruhigenden Entdeckungen mitgebracht, von der Idee, dass die objektive Realität eine Illusion ist, bis zur Erkenntnis, dass sich die Dinge gleichzeitig in zwei Zuständen befinden können (zum Beispiel sowohl lebendig als auch tot). Solch ein schreckliches Quantenverhalten endet nicht, wenn kleine Körper groß werden – nur weil unsere Sinne und unsere Werkzeuge sie nicht erkennen können. Jetzt haben zwei Teams von Physikern durch Schlagen von zwei kleinen Trommelsätzen die Skala eingefügt, anhand derer wir beobachten können Quantitative Effekte In der makroskopischen Welt.
Die Ergebnisse veranschaulichen einen besonderen Quanteneffekt, der als „Verschränkung“ bezeichnet wird, in einem viel größeren Maßstab als zuvor gesehen, und beschreiben eine Möglichkeit, diesen Effekt zu nutzen – wenn Teilchen auch dann miteinander verbunden bleiben, wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind -, um unangenehme Quantenunsicherheiten zu vermeiden . Dieses Wissen kann verwendet werden, um die Quantengravitation zu untersuchen und Quantencomputer mit Rechenfähigkeiten zu entwerfen, die weit über klassische Geräte hinausgehen, so die Forscher.
Physiker haben lange in Frage gestellt, inwieweit seltsame Quantenphänomene unserer häufigsten und vorhersehbarsten makroskopischen Welt weichen, oft weil es keine feste Regel gibt, die besagt, dass solche Phänomene jemals auftreten sollten – sie werden mit zunehmender Größe immer weniger wahrnehmbar.
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Zumindest waren sie es. Neue Experimente von zwei getrennten Forscherteams machten den Sprung von der Beobachtung der Quantenverschränkung zwischen einzelnen Atomen zur Beobachtung zwischen Aluminiumfilmen in Mikrometergröße – oder „Zylindern“ – aus jeweils etwa 1 Billion Atomen.
Die Verschränkung in ihrer einfachsten Form beschreibt die Idee, dass zwei Teilchen einen intrinsischen Kontakt haben können, der unabhängig vom Abstand zwischen ihnen fortbesteht. Die Partikel sind ätherisch gekoppelt: Messen Sie etwas an einem einzelnen Partikel, z. B. seine Position, und Sie erhalten auch Informationen über die Position seines verwickelten Partners. Nehmen Sie eine Änderung an einem Partikel vor und Ihre Aktionen übertragen die entsprechende Änderung auf das andere, alle mit einer Geschwindigkeit, die höher als die Lichtgeschwindigkeit ist.
Im ersten Experiment, das am US-amerikanischen Nationalen Institut für Standards und Technologie (NIST) in Boulder, Colorado, durchgeführt wurde, platzierten Wissenschaftler kleine Fässer mit einer Länge von jeweils etwa 10 μm auf einem Kristallchip, bevor sie auf nahezu absoluten Nullpunkt unterkühlt wurden. Während sich die Trommeln abkühlten, verringerte sich die Wahrscheinlichkeit, dass sie mit etwas außerhalb des Systems interagieren, erheblich, sodass Wissenschaftler die Trommeln zur Verstrickung und Vibration überreden konnten, während sie mit regelmäßigen Mikrowellenimpulsen auf sie trafen.
„Wenn Sie die Positions- und Impulsdaten für die beiden Trommeln unabhängig voneinander analysieren, sehen sie jeweils heiß aus“, sagt Co-Autor John Teufel, Physiker am Nationalen Institut für Standards und Technologie (NIST). Sagte er in einer ErklärungBezogen auf die Tatsache, dass die Partikel schwingen, je mehr die Temperatur erhöht wird. „ Aber wenn wir sie zusammen betrachten, können wir sehen, dass das, was wie die zufällige Bewegung einer Trommel aussieht, eng mit der anderen verbunden ist, auf eine Weise, die nur durch erreicht werden kann Quantenverschränkung. „“
Die Forscher maßen, wie verwickelt die Fässer waren, indem sie untersuchten, wie breit sie übereinstimmten – ihre maximalen Abstände von ihren Ruhepositionen -, während sie ungefähr auf der Höhe eines Protons auf und ab schwangen. Die Forscher stellten fest, dass die Zylinder sehr synchron vibrierten – wenn ein Zylinder eine hohe Kapazität hatte, hatte der andere eine niedrige Amplitude und ihre Geschwindigkeiten waren genau entgegengesetzt.
Teuval zeigte auf die diskreten Teile oder „Größen“ dieser Quantenobjekte und sagte: „Wenn sie keine Korrelationen haben und beide vollkommen cool sind, können Sie die durchschnittliche Position des anderen Zylinders nur innerhalb einer Unsicherheit von der Hälfte des Impulses erraten.“ Die Trommel vibriert ebenfalls. „Wenn es verwickelt ist, können wir es mit weniger Unsicherheit besser machen. Verschränkung ist der einzige Weg, der passieren kann.“ Die beiden großen Schaukeltrommeln scheinen getrennte Körper zu sein, die jedoch durch eine erschreckende Quantenverschränkung verbunden sind.
Die Forscher des Nationalen Instituts für Standards und Technologie (NIST) möchten mit ihrem Zylindersystem Knoten oder endgültige Netzwerkpunkte in Quantennetzwerken aufbauen und sie an Probleme anpassen, die ein beispielloses Maß an Genauigkeit erfordern, z. B. die Erfassung der Schwerkraft beim Betrieb bei die kleinste Skala.
Ein zweites Forscherteam unter der Leitung von Mika Silanpa von der Aalto-Universität in Finnland machte sich daran, mit ihrem Quantenzylindersystem eine der strengen Regeln der Quantenphysik zu umgehen – das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip.
Dieses Prinzip, das 1927 vom deutschen Physiker Werner Heisenberg eingeführt wurde, begrenzt die absolute Genauigkeit, die wir bei der Messung einiger physikalischer Eigenschaften eines Teilchens erzielen können, streng. Es verewigt die Idee, dass das Universum auf seiner kleinsten und grundlegendsten Ebene ein mysteriöses und unvorhersehbares Tier ist, ohne dass vollständige Informationen darüber bekannt werden.
Sie können beispielsweise die Position und den Impuls eines Partikels nicht mit absoluter Genauigkeit bestimmen. Möchten Sie genau wissen, wo sich das Elektron befindet? Sie können es häufig messen, um eine gewisse Sicherheit aufzubauen. Aber je mehr Sie das tun, desto mehr interagieren Sie mit ihm und ändern seinen Schwung. Das gleiche passiert in die entgegengesetzte Richtung. Gewissheit in der Quantenwelt ist ein Kompromiss – in einer Welt, in der Dinge eher wie Wolken von Möglichkeiten existieren, bedeutet die Gewissheit einer ihrer Eigenschaften, dass man sich einer anderen weniger sicher ist.
Das zweite Forscherteam hat jedoch einen Weg gefunden, dies zu umgehen. Indem die Forscher ihre Quantentrommel ständig mit Photonen oder Lichtteilchen schlugen, als wäre es eine Hinterhaltstrommel, konnten sie ihre Trommeln in einen verwickelten Zustand versetzen. Anstatt die Position und den Impuls jedes einzelnen Zylinders zu messen, behandelten die Forscher die ineinandergreifenden Zylinder wie einen einzelnen kompakten Zylinder und maßen die Position des imaginären Zylinders, ohne dessen Geschwindigkeit zu beeinflussen.
„Die Quantenunsicherheit der Bewegung der Fässer wird aufgehoben, wenn die beiden Trommeln als eine einzige quantenmechanische Einheit behandelt werden“, sagte die Hauptautorin Laure Mercier de Lepinay, Postdoktorandin an der Aalto-Universität in Finnland. Sagte er in einer Erklärung.
Dies eröffnet eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten, Messungen im kleinsten Maßstab durchzuführen, ohne Informationen zu verlieren. Angesichts der kontinuierlichen Art und Weise, in der die Messung durchgeführt wird, überwachen ihre neuen Quantensensoren sich ständig weiterentwickelnde kleine Systeme. Die Forscher hoffen, dass ihre ineinandergreifenden Fässer empfindlich genug sind, um kleine Verformungen im Weltraum zu messen, die durch Gravitationswellen und Gravitationswellen verursacht werden Dunkle Materie, Wird nicht nur zum Verbinden von Quantennetzwerken verwendet, die ineinandergreifende Dinge wie viele Trommeln als Relais verwenden.
Beide Erfahrungen konfrontieren uns auch mit der Realität unserer Nähe zur Quantenwelt, die – trotz scheinbar weit entfernter Gedankenexperimente, die halb tote und halb lebende Katzen fordern – auf subtilere Weise in unsere Region blutet als wir denken.
Das zuerst Und der Zweite Beide Teams veröffentlichten ihre Ergebnisse am 7. Mai in der Zeitschrift Science.
Ursprünglich auf Live Science veröffentlicht.
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