Учени за първи път са оценили ефекта от въртенето на Земята върху квантово заплетени фотони

Група изследователи, ръководена от Филип Валтер от Виенския университет проведе уникален експеримент, при който беше измерен ефектът от въртенето на Земята върху квантово заплетени фотони.

Класическият инструмент за доказване на правотата на общата теория на относителността е използван за първи път за оценка на явление от квантовата механика, което открива пътя за намиране на връзка между материалния и квантовия свят.

Работата, посветена на изследването е публикувана в списание Science Advances. Учените са създали най-големия в света интерферометър на Саняк, известен от около 100 години. Това устройство или сензор дава възможност да се намерят доказателства за редица положения на общата теория на относителността, и в частност е най-чувствителният детектор на въртенето, например на нашата планета. Изследователите от Виена сглобиха своята версия на устройството върху 1,4-метрова алуминиева рамка (намотка), като намотаха върху нея две намотки оптичен кабел от по 2 километра всяка.

Изолацията на намотките е била достатъчно надеждна, за да намали нивото на квантовия шум под определената граница на чувствителност в продължение на няколко часа. Това дало възможност за сигурно откриване на достатъчно заплетени фотони, които да бъдат използвани за експеримента.

Една намотка не е позволила да се зададе референтна точка за измерванията. Било необходимо „да се заблуди светлината, че Вселената е неподвижна“, обясняват учените. Този ефект бил постигнат чрез превключване между намотките.

„Същността на въпроса беше да установим референтна точка за нашите измервания, в която светлината остава незасегната от ефекта на въртенето на Земята. Предвид невъзможността да спрем въртенето на Земята, измислихме заобиколен вариант: разделихме оптичното влакно на две намотки с еднаква дължина и ги свързахме с помощта на оптичен превключвател.“

обяснява водещият автор Рафаеле Силвестри

Използвайки превключвателя, изследователите успели ефективно да потиснат сигнала за въртене, което им позволило и да подобрят стабилността на устройството.

„По същество подмамихме светлината да мисли, че се намира в невъртяща се вселена.“

казва Силвестри

Идеята на експеримента е, че заплетените фотони предоставят повече информация от нормалните фотони, когато се измерват. Това би могло да помогне за разширяване на границите на чувствителността на инструмента отвъд класическата физика в областта на квантовата механика.

В конвенционален интерферометър на Саняк два фотона се движат един към друг и се връщат в началната точка с известна разлика във времето в зависимост от скоростта на въртене на системата. В случай на изстрелване по маршрута на заплетени фотони ситуацията е по-сложна – двата фотона се движат едновременно един към друг като една частица. В този случай закъснението се удвоява, обясняват учените, а това удвоява разделителната способност на сензора – постига се т.нар. суперразделителна способност.

Това потвърди взаимодействието между въртящите се референтни рамки и квантовото заплитане, чието теоретично описание може да се намери както в специалната теория на относителността на Айнщайн, така и в квантовата механика. Това беше направено с хилядократно подобрение на точността в сравнение с предишни експерименти.

„Това е важен етап, защото един век след първото наблюдение на въртенето на Земята с помощта на светлина заплитането на отделните светлинни кванти най-накрая навлезе в същите режими на чувствителност. Вярвам, че нашите резултати и методология ще положат основите за по-нататъшно подобряване на чувствителността на сензорите, основани на оценка на ротационното заплитане. Това би могло да отвори пътя за бъдещи експерименти за тестване на поведението на квантовото заплитане с отчитане на кривината на пространство-времето.“

обяснява Хаокун Ю, който е работил по експеримента като изследовател в института „Мария Кюри“