Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Института фотонных наук в Барселоне добились значительного прорыва в квантовой физике, продемонстрировав контролируемую квантовую делокализацию наночастицы кремнезема, удерживаемой в оптической ловушке.
Эксперимент, результаты которого опубликованы в журнале Physical Review Letters, является важным шагом на пути к исследованию пределов квантовой механики и ее потенциальных технологических применений. Традиционно квантовая длина когерентности левитирующей наночастицы ограничивается нулевыми колебаниями, что затрудняет наблюдение квантовой интерференции в более крупных объектах. Исследовательской группе удалось преодолеть этот барьер, используя контролируемый метод расширения.
Применяя систему модулированных оптических пинцетов, ученые смогли «смягчать» и «ужесточать» световую ловушку с интервалами, измеряемыми в микросекундах. Этот инновационный подход привел к более чем трехкратному увеличению первоначальной длины когерентности, расширив ее примерно с 21 пикометра до более чем 70 пикометров в наилучших сценариях. Длина когерентности имеет фундаментальное значение для проявления частицей квантовой интерференции; большая когерентность увеличивает вероятность проявления волноподобного поведения системы.
Хотя достигнутые показатели все еще малы, они демонстрируют, что контролируемое расширение возможно без потери частицей своей квантовой чистоты. Это достижение открывает новые пути для исследования явлений, ранее наблюдаемых только в атомных или молекулярных системах, приближая квантовую механику к макроскопическому миру.
В частности, этот метод может способствовать разработке нового поколения высокоточных квантовых датчиков силы. Высококогерентная наночастица могла бы обнаруживать мельчайшие вариации электрического или гравитационного полей, превосходя по точности существующие технологии. Кроме того, открываются новые пути для исследования связи между квантовой механикой и гравитацией — области, которая все еще экспериментально не исследована. Теории предполагают, что две делокализованные квантовые массы могут генерировать гравитационное запутывание, и методы, описанные в этом исследовании, представляют собой шаг к практической реализации этих идей.
Это достижение дополняет другие успехи в области оптической левитации наночастиц, такие как проект QnanoMECA, финансируемый Европейским исследовательским советом (ERC), который успешно снизил механическую энергию квантовых наномеханических осцилляторов, приблизив их к квантовому режиму отдельных фононов. Эти достижения могут способствовать разработке нового поколения высокоточных механических датчиков для навигации и сейсмологии. Способность контролировать квантовую делокализацию в левитирующих наночастицах знаменует собой крупный скачок в понимании и применении квантовой механики в макроскопических масштабах, открывая новые возможности в фундаментальных исследованиях и разработке передовых квантовых технологий.