Nauka
Sada čitate
3000 hiljade atoma upleteno jednim fotonom
Sadržaji

Fizičari sa Masačusetskog istituta za tehnologiju (Massachusetts Institute of Technology – MIT) i Univerziteta u Beogradu zajednički su razvili novu tehniku koja omogućava da se 3000 atoma uplete korišćenjem jednog jedinog fotona. Ovaj istraživački rezultat, koji je objavljen 25. marta u magazinu Nature, predstavlja najveći broj čestica koje su zajedno eksperimentalno upletene (entagled).

Kvantna upletenost je, iz vizure našeg svakodnevnog iskustva, još jedan bizaran fenomen na kvantnom nivou, koji se manifestuje tako što se parovi ili grupe čestica generišu ili stupaju u interakciju na takav način da kvantno stanje svake čestice nije moguće opisati nezavisno – umesto toga kvantno stanje se može opisati samo na nivou celokupnog sistema.

Istraživači smatraju da ova nova tehnika predstavlja praktičan metod za generisanje velikih skupova upletenih atoma koji predstavljaju ključnu komponentu kod realizacije još preciznijih atomskih satova.

Možete da tvrdite da jednom fotonu nikako nije moguće da promeni stanje 3.000 atoma, ali ovaj jedan foton je to uradio – on je izgradio korelacije koje niste imali ranije,“ istakao je Vladan Vuletić, profesor na odseku za fiziku MIT-a i glavni autor objavljenog rada. „U suštini otvorili smo potpuno novu klasu upletenih stanja koja je moguće stvoriti, ali postoji još mnogo klasa koje tek treba istražiti.

Vuletićevi saradnici na ovom radu bili su Robert McConnell, Hao Zhang i Jiazhong Hu sa MIT-a, kao i Senka Ćuk sa Univerziteta u Beogradu.

Atomsko merenje vremena

Već smo pomenuli da je upletanje zanimljiv fenomen. Kako teorija kaže – dve ili više čestica mogu biti u takvom odnosu da se bilo koja promena kod jedne istovremeno prenosi na drugu česticu i to bez obzira na razdaljinu između njih. Na primer, ako bi jedan atom u upletenom paru bio na neki način zarotiran u smeru kazaljke na satu, drugi atom bi istog trenutka počeo da se rotira u suprotnom smeru, čak i ako bi oni bili udaljeni više hiljada kilometara jedan od drugog.

nature14293-f1

Šema generisanja upletenih atoma uz pomoć jednog fotona

 

Ko se seća osnova fizike setiće se da je zvanično maksimalna brzina u Univerzumu ograničena na brzinu svetlosti, pa tako teorijski nije moguć trenutni prenos informacija o stanju čestica. Čak i da su veoma blizu taj prenos između dve čestice bi bio brz, ali bi i dalje postojala neka zadrška.

Za upletenost je i Ajnštajn izjavio da predstavlja „sablasno dejstvo na daljinu“ i celu ideju je odbacio. Međutim, upletenost nije moguće objasniti zakonima klasične fizike, već je neophodno zaći u „čaroban“ svet kvantne mehanike u kojoj se objašnjavaju interakcije između čestica na nano razmerama. Na tako malim dimenzijama čestice kao što su atomi ponašaju se potpuno drugačije nego što je to slučaj kada ih posmatramo u makro razmerama.

Naučnici već dugo tragaju za načinima da upletu ne samo parove, već i veće grupe atoma i to u takve skupove koji bi predstavljali osnovu za izgradnju moćnih kvantnih računara i još preciznijih atomskih satova, što je i bila glavna motivacija Vuletićeve grupe.

Danas se najbolji atomski satovi zasnivaju na prirodnim oscilacijama unutar oblaka zarobljenih atoma. Njihova oscilacija predstavlja svojevrstno klatno koje stabilno meri vreme. Za „očitavanje“ tih oscilacija zadužen je laserski zrak unutar sata, koji prolazi kroz dotični oblak atoma.

Današnji satovi su zaista sjajni,“ kaže Vuletić. „Najbolji od njih bi kasnili samo jedan minut da su pušteni u rad odmah nakon Big Benga. Mi se nadamo da ćemo tu preciznost dodatno unaprediti.

nature14293-f3

Rekostrukcija više-atomskog upletenog stanja

 

Preciznost atomskih satova se povećava sa povećanjem broja atoma koji osciluju u oblaku. Standardno, ova preciznost je proporcionalna kvadratnom korenu broja atoma – tako je sat sa devet puta većim brojem atoma samo tri puta precizniji. Međutim, ukoliko bi ti isti atomi bili upleteni, preciznost bi postala direktno proporcionalna broju atoma – u pomenutom slučaju sat sa devet puta većim brojem atoma bio bi i devet puta precizniji.

Uticaj detekcije

Dosadašnji pokušaji naučnika da upletu veće grupe atoma nisu bili ni približno uspešni – u većini slučajeva generisano je uplitanje parova u grupi, a samo je jedan tim uspešno upleo 100 atoma što je do danas bio i najveći broj (mada je to bi samo mali deo ukupnog broja atoma u korišćenom skupu).

Vuletićeva ekipa je dakle sada drastično podigla granicu sa 3000 uspešno upletenih atoma. Oni su uspeli da upletu praktično sve atome koji su sačinjavali eksperimentalni skup i to upotrebom veoma slabog laserskog svetla – sa pulsevima sačinjenim od samo jednog fotona. A upravo što je slabije svetlo to je bolji rezultat, jer je manja verovatnoća da će oblak biti poremećen. „Sistem je zadržao relativno čisto kvantno stanje,“ istakao je Vuletić.

Istraživači su prvo ohladili oblak atoma, da bi ga zatim zarobili u lasersku zamku i u njega uperili slab laserski puls. Zatim su podesili detektor koji je tražio tačno određeni foton unutar zraka. Ideja je bila da će polarizacija ili pravac oscilacije fotona koji prolazi kroz atomski oblak bez interakcije sa atomima ostati isti. Ukoliko bi došlo do interkacije sa atomima, njegova polarizacija bi malo rotirala i to bi bio znak da je pogođen kvantnom „bukom“ unutar skupa rotirajućih atoma – pri tome bi buka predstavljala razliku između broja atoma koji rotiraju u smeru kazaljke i broja atoma koji rotiraju suprotno.

Svako malo uočavamo odlazeći foton čije električno polje osciluje u smeru normalnom na smer dolazećih fotona,“ kaže Vuletić. „Kada detektujemo takav foton, znamo da bi to moralo da bude izazvano atomskim skupom, i na veliko iznenađenje, takva detekcija izaziva veoma jako stanje upletenosti kod atoma.

Vuletić i njegove kolege trenutno koriste tehniku detekcije sa jednim fotonom kako bi izgradili vrhunski atomski sat za koji se nadaju da će prevazići ograničenje poznato kao standardni kvantni limit – to je granica do koje merenje u kvantnom sistemu može biti precizno. Kako ističu istraživači, trenutno podešavanje bi moglo da bude korak napred u razvoju mnogo kompleksnijih upletenih stanja.

Ovo stanje može da poboljša atomske satove za faktor dva,“ kaže Vuletić. „Sada se trudimo da napravimo još komplikovanija stanja koja bi da donesu još veća poboljšanja.

Ovo istraživanje je podržano od strane Nacionalne naučne fondacije (National Science Foundation – NSF), Agencije za odbrambene napredne istraživačke projekte (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA) i Vazduhoplovne kancelarije za naučna istraživanja (Air Force Office of Scientific Research – AFOSR).

Na kraju pogledajte i zanimljiv video u kojem se objašnjava fenomen kvantne upletenosti.