Вчені вперше оцінили вплив обертання Землі на квантово заплутані фотони

Група дослідників під керівництвом Філіпа Вальтера (Philip Walther) з Віденського університету провела унікальний експеримент, під час якого було виміряно вплив обертання Землі на квантово заплутані фотони. Класичний інструмент для доказу правоти загальної теорії відносності вперше був використаний для оцінки явища квантової механіки, що відкриває шлях до пошуку зв’язку між матеріальним та квантовим світом.

Присвячена дослідженню робота опублікована в журналі Science Advances. Науковці створили найбільший у світі інтерферометр Саньяка, відомий вже близько ста років. Цей прилад або датчик дає можливість знаходити докази для ряду положень загальної теорії відносності, зокрема, найчутливішим детектором обертання, наприклад, нашої планети. Дослідники з Відня зібрали свою версію приладу на 1,4-му алюмінієвій рамі (котушці), намотавши на неї дві обмотки оптичного кабелю по 2 км кожна.

Ізоляція обмотки була досить надійною, щоб на кілька годин знизити рівень квантових шумів нижче за задану межу чутливості. Це дозволило впевнено детектувати достатню кількість заплутаних фотонів, щоб потім використати їх для експерименту.

Одна обмотка, пояснили вчені, не дозволяла встановити точку відліку для вимірювань — витягти з даних вимірювань сигнал про постійне обертання Землі. Потрібно було «обдурити світло, щоб змусити його подумати, ніби Всесвіт нерухомий». Цей ефект досягався рахунок перемикання між обмотками.

«Суть питання, — пояснює провідний автор Раффаеле Сільвестрі (Raffaele Silvestri), — полягала у встановленні точки відліку для наших вимірювань, де світло залишається незайманим ефектом обертання Землі. Враховуючи нашу нездатність зупинити обертання Землі, ми вигадали обхідний шлях: розділили оптичне волокно на дві котушки однакової довжини і з’єднали їх за допомогою оптичного перемикача». Використовуючи перемикач, дослідники змогли ефективно придушувати сигнал обертання за своїм бажанням, що дозволило їм підвищити стабільність роботи приладу. «Ми, по суті, обдурили світло, змусивши його думати, що воно знаходиться в Всесвіті, що не обертається», — сказав Сільвестрі.

Ідея експерименту в тому, що заплутані фотони при вимірі дають більше інформації, ніж звичайні. Це може допомогти розсунути межі чутливості приладу за межі класичної фізики в область квантової механіки.

У звичайному інтерферометрі Саньяка два фотони рухалися б назустріч один одному і повернулися в точку старту з деякою різницею в часі, залежно від швидкості обертання системи. У разі запуску маршрутом заплутаних фотонів ситуація складніша — обидва фотони одночасно рухаються назустріч один одному як одна частка. При цьому затримка за часом збільшується вдвічі, пояснюють вчені, і це вдвічі підвищує роздільну здатність датчика — досягається так зване наддозвіл.

Це підтвердило взаємодію між системами відліку, що обертаються, і квантовою заплутаністю, теоретичний опис чого можна знайти як у спеціальній теорії відносності Ейнштейна, так і в квантовій механіці. Зроблено це із тисячократним підвищенням точності порівняно з попередніми експериментами.

«Це є важливою віхою, оскільки через сторіччя після першого спостереження обертання Землі за допомогою світла заплутування окремих квантів світла нарешті увійшло в ті ж режими чутливості, — пояснив Хаокун Ю (Haocun Yu), який працював над цим експериментом як науковий співробітник Інституту. Марія Кюрі. — Я вірю, що наші результати та методологія закладуть основу для подальшого покращення чутливості датчиків, що ґрунтуються на оцінці обертання заплутаністю. Це може відкрити шлях для майбутніх експериментів щодо перевірки поведінки квантової заплутаності з урахуванням кривизни простору-часу».