|
Квантово-запутанные фотоны реагируют на вращение Земли
|
|
|
|
Группа исследователей под руководством Филиппа Вальтера из Венского университета провела новаторский эксперимент, в ходе которого они измерили влияние вращения Земли на квантово-запутанные фотоны. Работа, опубликованная в журнале Science Advances, представляет собой значительное достижение, которое расширяет границы чувствительности к вращению датчиков, основанных на запутанности, и потенциально создает основу для дальнейших исследований на стыке квантовой механики и общей теории относительности. Оптические интерферометры Саньяка являются наиболее чувствительными к вращениям приборами. С начала прошлого века они играли ключевую роль в нашем понимании фундаментальной физики, способствуя созданию специальной теории относительности Эйнштейна. Сегодня их непревзойденная точность делает их идеальным инструментом для измерения скорости вращения, ограниченным только рамками классической физики.
|
|
|
|
Интерферометры, использующие квантовую запутанность, могут нарушить эти границы. Если запутаны две или более частицы, известно только общее состояние, в то время как состояние отдельной частицы остается неопределенным до момента измерения. Это может быть использовано для получения большего количества информации за одно измерение, чем это было бы возможно без него. Однако обещанный качественный скачок в чувствительности был затруднен из-за чрезвычайно тонкой природы запутанности. Именно здесь венский эксперимент изменил ситуацию. Исследователи построили гигантский волоконно-оптический интерферометр Саньяка и в течение нескольких часов сохраняли низкий уровень шума. Это позволило обнаружить достаточно качественные пары запутанных фотонов, чтобы в тысячу раз превзойти точность вращения предыдущих квантово-оптических интерферометров Саньяка.
|
|
|
В интерферометре Саньяка две частицы, движущиеся в противоположных направлениях по вращающейся замкнутой траектории, достигают начальной точки в разное время. С двумя запутанными частицами это становится жутковатым: они ведут себя так, как будто одна частица тестирует оба направления одновременно, накапливая при этом вдвое большую временную задержку по сравнению со сценарием, в котором запутанность отсутствует. Это уникальное свойство известно как сверхразрешение. В реальном эксперименте два запутанных фотона распространялись внутри оптического волокна длиной 2 километра, намотанного на огромную катушку, что позволило создать интерферометр с эффективной площадью более 700 квадратных метров. Существенным препятствием, с которым столкнулись исследователи, было выделение и извлечение сигнала об устойчивом вращении Земли. "Суть проблемы заключается в установлении точки отсчета для наших измерений, где свет остается незатронутым эффектом вращения Земли. Учитывая нашу неспособность остановить вращение Земли, мы придумали обходной путь: разделили оптическое волокно на две катушки одинаковой длины и соединили их с помощью оптического переключателя", - объясняет ведущий автор Раффаэле Сильвестри.
|
|
|
|
Переключая переключатель, исследователи могли эффективно подавлять сигнал вращения по своему желанию, что также позволило им повысить стабильность работы их большого аппарата. "Мы, по сути, обманули свет, заставив его думать, что он находится в невращающейся Вселенной", - говорит Сильвестри. Эксперимент, который был проведен в рамках исследовательской сети TURIS, организованной Венским университетом и Австрийской академией наук, позволил успешно наблюдать влияние вращения Земли на максимально запутанное двухфотонное состояние. Это подтверждает взаимодействие между вращающимися системами отсчета и квантовой запутанностью, описанное в специальной теории относительности Эйнштейна и квантовой механике, с тысячекратным повышением точности по сравнению с предыдущими экспериментами.
|
|
|
|
"Это является важной вехой, поскольку спустя столетие после первого наблюдения вращения Земли с помощью света запутывание отдельных квантов света, наконец, вошло в те же режимы чувствительности", - говорит Хаокун Ю, который работал над этим экспериментом в качестве научного сотрудника Института Марии Кюри. "Я верю, что наши результаты и методология заложат основу для дальнейшего улучшения чувствительности датчиков, основанных на учете запутанности, к вращению. Это может открыть путь для будущих экспериментов по проверке поведения квантовой запутанности в кривых пространства-времени", - добавляет Филип Уолтер.
|
|
|
|
Источник
|
