Într-o premieră pentru fizica cuantică, cercetătorii de la Universitatea Națională Australiană (ANU) au demonstrat că atomii pot exista în două locuri în același timp, confirmând fenomenul de entanglement cuantic pentru materia cu masă. Descoperirea, publicată recent în revista Nature Communications, deschide calea spre unificarea mecanicii cuantice cu gravitația.
Spre deosebire de experimentele celebre realizate cu fotoni (particule de lumină), reușita cu atomi de heliu este crucială deoarece aceștia au masă și simt atracția gravitațională, oferind un teren real de testare a legilor fizicii la intersecția cu relativitatea lui Albert Einstein.
Imaginați-vă un nor de atomi de heliu care se divide, se împrăștie și cade sub efectul gravitației, dar care continuă să se comporte exact ca și cum părțile sale ar fi rămas intim legate între ele. Aceasta este, în esență, inima unui nou experiment realizat la ANU, unde fizicienii au observat direct o formă de entanglement (inseparabilitate cuantică) la atomii care se deplasează prin spațiu.
Teste similare sunt efectuate de mult timp cu fotonii – particulele de lumină. Însă a obține același rezultat cu atomii este o provocare cu totul diferită. De ce? Pentru că atomii au masă. Gravitația acționează asupra lor în mod direct, iar câmpurile parazite din mediul înconjurător îi pot perturba ușor. Cu toate aceste obstacole, echipa a găsit dovezi solide că aceste particule masive urmau exact aceleași reguli cuantice bizare; aceleași reguli care fac ca fizica cuantică să fie atât de greu de împăcat cu intuiția noastră de zi cu zi.
„Este cu adevărat ciudat pentru noi să ne gândim că așa funcționează Universul. Poți citi despre asta într-un manual, dar este cu adevărat ciudat să te gândești că o particulă poate fi în două locuri simultan.”, a spus dr. Sean Hodgman de la Școala de Cercetare în Fizică a ANU.
Deși acest rezultat nu ne oferă pe tavă mult-căutata „teorie a tuturor lucrurilor”, el împinge o limită extrem de importantă în fizică. Experimentul sugerează că acel comportament nonlocal, pe care l-am observat atât de clar la lumină, poate fi urmărit și în materie. Astfel, atomii devin un teren de testare mult mai realist pentru unele dintre cele mai profunde întrebări din știință: cum s-ar putea conecta mecanica cuantică cu gravitația și relativitatea generală.
Cum funcționează entanglementul cuantic la atomii de heliu?
Un condensat Bose-Einstein este o stare extremă a materiei (numită și cea de-a cincea stare a materiei), obținută la temperaturi apropiate de zero absolut (-273,15 °C), în care un grup de atomi încetează să se mai comporte individual și acționează ca o singură undă cuantică.
Testele Bell rămân printre cele mai clare modalități de a verifica dacă lumea funcționează așa cum ne dictează intuiția clasică. Mai simplu spus, aceste teste verifică dacă particulele poartă cu ele instrucțiuni fixe, locale, care le explică comportamentul, sau dacă mecanica cuantică are dreptate atunci când prezice corelații mult mai puternice decât ar permite fizica clasică.
Până acum, multe experimente au încălcat deja inegalitatea lui Bell folosind proprietăți interne ale particulelor, cum ar fi polarizarea fotonilor sau stările de spin atomic. Ceea ce a rămas incredibil de dificil a fost obținerea unui rezultat similar folosind mișcarea externă, în special impulsul particulelor masive.
Aceasta a fost exact lacuna pe care echipa ANU și-a propus să o elimine.
„Din punct de vedere experimental, este extrem de greu să demonstrezi acest lucru. Mai multe persoane au încercat în trecut să arate aceste efecte, dar au eșuat de fiecare dată.”, a spus autorul principal și cercetătorul doctorand Yogesh Sridhar.
Pentru a reuși, grupul a folosit atomi de heliu metastabili ultra-reci, pornind de la o stare fascinantă a materiei: un condensat Bose-Einstein. În această stare, atomii acționează colectiv, într-un mod cuantic extrem de ordonat. După ce au oprit capcana care îi ținea, cercetătorii au folosit impulsuri laser pentru a deplasa și a diviza condensatul în diferite stări de impuls. Pe măsură ce aceste părți s-au separat, atomii au intrat în coliziune, dând naștere la două halouri sferice formate din perechi de atomi împrăștiați.
Aceste perechi au dezvoltat impulsuri opuse – un detaliu crucial, deoarece conservarea impulsului este cea care leagă atomii. Acest fenomen i-a transformat în candidații perfecți pentru o formă de entanglement care nu este legată de spin sau polarizare, ci strict de mișcarea în sine.
O versiune cu unde de materie a unui aranjament clasic
Pentru design, experimentul a împrumutat logica unui faimos aranjament optic, cunoscut sub numele de interferometrul Rarity-Tapster, dar l-a transpus spectaculos în lumea undelor de materie. Echipa ANU a folosit impulsuri Bragg pe post de oglinzi și separatoare de fascicul pentru a putea manipula modurile de impuls selectate. Această tehnică a reușit să readucă traiectoriile atomice relevante înapoi în interferență.
Ulterior, fizicienii au lăsat atomii să cadă pe o distanță de aproximativ 848 de milimetri, direct pe un detector capabil să înregistreze fiecare atom individual, în trei dimensiuni. Pe baza acestor date spațiale și temporale extrem de precise, cercetătorii au reconstruit distribuția impulsului atomilor și au căutat corelații între atomii care apăreau în părțile opuse ale halourilor.
Cifrele obținute au fost uimitoare. În măsurătorile realizate pe baza a 1.000 de încercări, echipa a găsit corelații puternice între perechile din ambele halouri de împrăștiere. Amplitudinea a fost de aproximativ 30, la o diferență de impuls egală cu zero. Acest lucru corespundea unor ocupări medii ale modurilor suficient de scăzute pentru a se potrivi perfect cu condițiile stricte așteptate pentru testele de tip Bell.
Apoi a urmat un set de date masiv, cu peste 35.000 de măsurători. Acesta a fost utilizat pentru a evalua modul în care corelațiile se modificau pe măsură ce experimentatorii variau o fază globală în interiorul interferometrului.
Modelul rezultat a oscilat exact în modul prevăzut de teoria cuantică pentru stările entanglate. Funcția de corelație Bell a atins o amplitudine ajustată de 0,86(3), depășind cu mult pragul necesar pentru tipul de dovadă a nonlocalității utilizat de echipă. Pe baza acestui set masiv de date, cercetătorii au putut raporta o încălcare maximă a inegalității alese de ei la o valoare impresionantă de aproximativ 3,9 deviații standard. Acest moment de vârf s-a produs atunci când faza globală a atins valoarea de 3,062.
„Acest rezultat confirmă predicțiile de acum peste un secol, conform cărora materia poate fi în două locuri simultan și poate interfera cu ea însăși chiar și în acele locuri”, a spus Hodgman.
Dovezi solide, dar nu testul final
Experimentul de la ANU marchează prima observație raportată a corelațiilor Bell necesare pentru a demonstra nonlocalitatea în perechi de atomi cu impulsuri entanglate. Prin el însuși, acesta este deja un rezultat remarcabil.
Totuși, lucrarea nu merge până la cea mai puternică versiune posibilă a afirmației. Actuala configurație tehnică nu permite încă setări de fază independente în cele două brațe ale interferometrului separate spațial. Din acest motiv, echipa nu a putut efectua un test complet al inegalității CHSH-Bell – criteriul de referință suprem, cel mai cunoscut și mai strict din domeniu.
În schimb, ei s-au bazat pe o inegalitate de orientare și pe un criteriu de nonlocalitate asociat. Această abordare a fost suficientă pentru a exclude o clasă largă de modele hibride care implică variabile ascunse locale și stări ascunse locale, dar nu acoperă absolut toate lacunele teoretice posibile.
Cercetătorii sunt pe deplin conștienți de această limitare. Un viitor test de tip CHSH ar necesita ca setările de fază să fie controlate independent în regiuni separate ale spațiului. Mai mult, aceste setări ar trebui aplicate doar după ce perechile de atomi sunt deja separate spațial. Având în vedere rezoluția temporală a detectorului actual, care este de aproximativ 1 nanosecundă, acest lucru înseamnă că atomii ar trebui să se afle la o distanță de cel puțin 30 de centimetri unul de celălalt. În prezent, detectorul folosit are o lățime de doar 8 centimetri.
Așadar, povestea științifică nu se oprește aici, dar este un pas înainte uriaș.
Echipa a subliniat că a reușit să îmbunătățească considerabil lucrările anterioare din domeniu prin creșterea amplitudinilor de corelație și a raportului semnal-zgomot. Printre inovațiile tehnice aduse se numără utilizarea unor plăci cu microcanale de o eficiență mai mare, blocarea frecvenței fasciculelor Bragg pentru a reduce fluctuațiile de sistem și utilizarea unor ferestre de detectare mai strânse în jurul ecuatorului halourilor, garantând astfel o precizie net superioară.
De ce contează atât de mult particulele masive
Zeci de ani la rând, fotonii au fost motorul absolut al experimentelor de entanglement. Deși sunt ideali din foarte multe puncte de vedere, au o caracteristică definitorie: sunt lipsiți de masă. Atomii deschid o cu totul altă ușă a fizicii, deoarece ei se mișcă prin câmpurile gravitaționale exact la fel cum o face materia obișnuită pe care o cunoaștem.
Acest detaliu face ca atomii cu impuls entanglat să fie o țintă deosebit de atractivă pentru experimentele care explorează acea graniță incomodă și neînțeleasă dintre mecanica cuantică și relativitatea generală. Studiul publicat sugerează posibilități experimentale viitoare captivante, care ar putea implica izotopi de heliu cu mase diferite. Aceste variante ar putea oferi o bază reală pentru testarea principiului echivalenței slabe, folosind mase de testare cuantice.
De asemenea, această platformă i-ar putea ajuta pe cercetători să studieze în detaliu teoriile decoerenței în sistemele care sunt influențate direct de gravitație. În plus, inovația ar putea susține dezvoltarea de noi tehnici de informație cuantică, bazate pe entanglementul de mișcare, în locul stărilor atomice interne folosite tradițional.
Implicațiile practice ale cercetării
Pe scurt, această lucrare tocmai a oferit fizicienilor o nouă modalitate de a testa comportamentul cuantic în materia care posedă masă, care se află în mișcare și care este expusă gravitației. Pe termen scurt, această descoperire are un impact masiv pentru fizica fundamentală. În mod special, este un pas esențial în eforturile titanice de a înțelege dacă regulile care guvernează lumea microscopică pot fi vreodată conciliate cu gravitația.
Dincolo de teorie, cercetarea indică spre dezvoltarea de noi instrumente pentru detectarea cuantică și imagistica cuantică. În aceste domenii viitoare, interferența atomică – controlată cu extremă atenție – ar putea îmbunătăți precizia tehnologiilor noastre mult dincolo de limitele standard actuale.
Deși acest experiment nu răspunde încă la toate întrebările supreme ale fizicii, el a reușit să construiască o platformă robustă, care va permite studiilor viitoare să le abordeze mult mai direct.
Deși nu reprezintă încă soluția finală pentru o teoretică teorie a tuturor lucrurilor (sau a întregului), demonstrarea inseparabilității cuantice pentru particule cu masă schimbă profund modul în care putem testa limitele realității. Dincolo de manuale, atomii devin astfel instrumente de precizie pentru a investiga cum se intersectează regulile cuantice bizare cu spațiul și gravitația.
Mai simplu spus, de ce este acest experiment atât de important? Până acum, fizica cuantică și legile obișnuite ale gravitației păreau să trăiască în lumi complet separate. Faptul că cercetătorii au demonstrat că atomii – care au masă și cad pe Pământ la fel ca orice obiect din viața de zi cu zi – pot exista în două locuri simultan, reprezintă prima punte reală între aceste două lumi. Dincolo de misterele Universului, pe care abia acum începem să le descifrăm, această reușită va pune bazele unor tehnologii și senzori de o precizie pe care astăzi abia ne-o putem imagina.
Rezultatele complete ale cercetării au fost publicate și sunt disponibile online în revista Nature Communications.
