By 
Загадкове явище «моторошної дії на відстані», яке колись хвилювало Ейнштейна, незабаром може стати таким же звичним явищем, як гіроскопи, які використовуються для вимірювання прискорення в смартфонах. Недавнє дослідження в Nature Photonics показало, що квантова заплутаність значно підвищує точність датчиків, які можна використовувати для навігації без GPS.
«Використовуючи заплутаність, ми покращуємо як чутливість вимірювання, так і швидкість, яку ми можемо зробити вимірювання», — сказав Чжешен Чжан, доцент кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії Мічиганського університету та співавтор дослідження. Експерименти проводилися в Університеті Аризони, де на той момент працював Чжан.
Оптомеханічні датчики вимірюють сили, які заважають механічному чутливому пристрою, який рухається у відповідь. Потім цей рух вимірюється за допомогою світлових хвиль. У цьому експерименті датчиками були мембрани, які діють як головки барабанів, що вібрують після поштовху. Оптомеханічні датчики можуть функціонувати як акселерометри, які можна використовувати для інерціальної навігації на планеті, де немає супутників GPS, або всередині будівлі, коли людина пересувається різними поверхами.
Квантова заплутаність може зробити оптико-механічні датчики більш точними, ніж інерційні датчики, які зараз використовуються. Це також може дозволити оптико-механічним датчикам шукати дуже тонкі сили, такі як ідентифікація присутності темної матерії. Темна матерія — це невидима матерія, яка, як вважають, становить у п’ять разів більшу масу у Всесвіті, ніж те, що ми можемо відчути за допомогою світла. Він тягнув би датчик силою гравітації.
Ось як заплутування покращує оптико-механічні датчики:
Оптико-механічні датчики покладаються на два синхронізовані лазерні промені. Один із них відбивається від датчика, і будь-який рух у датчику змінює відстань, яку світло проходить на шляху до детектора. Ця різниця в пройденій відстані проявляється, коли друга хвиля накладається на першу. Якщо датчик нерухомий, дві хвилі ідеально збігаються. Але якщо датчик рухається, вони створюють інтерференційну картину, оскільки піки та спади їхніх хвиль місцями гасять одна одну. Цей шаблон показує розмір і швидкість вібрації в датчику.
Зазвичай в системах інтерферометрії чим далі поширюється світло, тим точнішою стає система. Найчутливіша система інтерферометрії на планеті, гравітаційно-хвильова обсерваторія лазерного інтерферометра, посилає світло на 8-кілометрові подорожі. Але це не поміститься в смартфоні.
Щоб забезпечити високу точність мініатюрних оптико-механічних датчиків, команда Чжана досліджувала квантову заплутаність. Замість того щоб розділяти світло один раз, щоб воно відбивалося від датчика та дзеркала, вони розділяли кожен промінь вдруге, щоб світло відбивалося від двох датчиків і двох дзеркал. Далзіел Вілсон, доцент кафедри оптичних наук в Університеті Арізони, разом зі своїми докторантами Аманом Агравалом і Крістіаном Плучаром створили мембранні пристрої. Ці мембрани товщиною всього 100 нанометрів — або 0,0001 міліметра — рухаються у відповідь на дуже невеликі сили.
Подвоєння датчиків покращує точність, оскільки мембрани мають вібрувати синхронно одна з одною, але заплутаність додає додатковий рівень координації. Група Чжана створила заплутаність, «стиснувши» лазерне світло. У квантово-механічних об’єктах, таких як фотони, що утворюють світло, існує фундаментальна межа того, наскільки точно можна знати положення та імпульс частинки. Оскільки фотони також є хвилями, це означає фазу хвилі (де вона коливається) та її амплітуду (скільки енергії вона несе).
Comments