Fyzici kvantově provázali dva naprosto odlišné velké objekty  
Kvantové jevy klepou na dveře makrosvěta. Dánští kvantoví fyzici úspěšně provázali mechanický oscilátor milimetrové velikosti s oblakem tvořeným miliardou atomů v magnetickém poli. Prestiž zaručena, praktické aplikace na obzoru.
Kvantová kouzla s provázáním velkých objektů. Kredit: Niels Bohr Institute.
Kvantová kouzla s provázáním velkých objektů. Kredit: Niels Bohr Institute.

Kvantové provázání, čili entanglement, jeden z ryzích triků soudobé kvantové alchymie, se dnes prakticky využívá pro kvantovou komunikaci a kvantové senzory. Funguje jako kvantové spojení mezi objekty, díky němuž se tyto objekty chovají jako jediný kvantový objekt. Donedávna se kvantový entanglement týkal jen velmi malých objektů na úrovni částic a atomů. Ale fyzici očividně postrádají respekt před kvantovými jevy a nebojí se je napínat na skřipci, aby z nich vyrvali kvantová tajemství.

 

V tomto úsilí pokračují i odborníci dánského Niels Bohr Institute při University of Copenhagen. Povedl se ji kvantový majstrštyk, při němž entanglovali dva velice odlišné objekty. Šlo přitom o dva pořádně velké objekty, přinejmenším optikou kvantového světa.

 

Eugene Polzik. Kredit: Niels Bohr Institute.
Eugene Polzik. Kredit: Niels Bohr Institute.

Eugene Polzik s kolegy úspěšně kvantově provázali makroskopický mechanický oscilátor, čili vibrující nevodivou membránu milimetrové velikosti, s oblakem asi jedné miliardy atomů v magnetickém poli, z nichž každý funguje jako maličký magnet (spin oscilátor). Entanglement takto rozdílných entit přitom zprostředkovaly fotony. Proč membrána a oblak atomů? Má to co dělat s kvantovými výpočty. Atomy jsou užitečné při zpracování kvantové informace a membrána je zase mechanický kvantový systém. A takové systémy lze využít při ukládání kvantové informace.

 

University of Copenhagen, logo.
University of Copenhagen, logo.

Polzik dává nepokrytě najevo, že jejich cílem je prorážet hranice možného v oblasti kvantového entanglementu. Čím větší jsou podle něj provazované objekty, čím dál od sebe jsou, a čím více se od sebe liší – tím zajímavější kvantové provázání to pak je. Ať už z teoretického nebo praktického hlediska. Jak ukazuje jejich výzkum, je možné kvantově provázat vážně dost rozdílné věci.

 

Extrémní kvantové provázání Polzikova týmu by se mohlo uplatnit třeba ve kvantových senzorech. Takové senzory totiž podléhají nepatrným fluktuacím (zero-point fluctuations), které ovlivňují měření. Entanglement dovede takové fluktuace do značné míry eliminovat. Těmto fluktuacím čelí i zařízení gravitační observatoře LIGO, která se teď prakticky neustále hřeje na výsluní mediální slávy. Fluktuace vlastně omezují citlivost detekce gravitačních vln na LIGO.

 

Teoreticky by přitom bylo možné kvantově provázat zrcadla laserového inteferometru LIGO, která trpí fluktuacemi s oblakem atomů. Stejně jako byl kvantově provázaný mechanický oscilátor s oblakem atomů v experimentu Polzikova týmu. Takové provázání by vyrušilo zmíněné kvantové fluktuace a zvýšilo citlivost observatoře LIGO. Polzik s kolegy už na tom experimentálně pracují.

 

Video: Eugene Polzik - Beyond Quantum Limits: Teleportation and Other Tricks

 

Literatura

Niels Bohr Institute 28. 9. 2020.

Nature Physics online 21. 9. 2020.

Datum: 30.09.2020
Tisk článku

Ptáci -
 
 
cena původní: 149 Kč
cena: 142 Kč
Ptáci

Související články:

Švýcarští kvantoví mágové entanglovali 16 milionů atomů     Autor: Stanislav Mihulka (20.10.2017)
Kvantová mechanika na vlastní oči: Entanglement objektů o šířce vlasu!     Autor: Stanislav Mihulka (27.04.2018)
Kvantoví fyzici uvařili rekordní polévku s 15 biliony entanglovaných atomů     Autor: Stanislav Mihulka (19.05.2020)
Cubesat SpooQy-1 zvládl miniaturizovaný kvantový entanglement na orbitě     Autor: Stanislav Mihulka (29.06.2020)



Diskuze:

Žena

Alois Všeználek,2020-09-30 14:00:51

Mě se to povedlo s manželkou.

Odpovědět

Co si mám představit pod

Martin Redl,2020-09-30 11:13:56

Co si mám představit pod provázaností membrány a oblaků atomů? U dvou částic je to korelace spinů a tady?

Odpovědět


Re: Co si mám představit pod

Jan Novák9,2020-09-30 12:44:04

O membráně nevíme nic takže je v kvantovém stavu :-)))
O oblaku nevíme nic takže je taky v kvantovém stavu :-)))
Protože o membráně i oblaku víme totéž tak jsou provázané ;-)))

Navzájem se ovlivňují? Asi rezonance?Laser svítí na membránu a koreluje spiny v oblaku podle pohybu - jak podle obrázku tak podle vysvětlení. Ovšem nevím co to má společného s kvantovým provázáním které má fungovat na dálku bez zprostředkujícího laserového paprsku.

Odpovědět


Re: Re: Co si mám představit pod

Pavel Hudecek,2020-10-01 14:59:48

Taky by mě zajímaly nějaké podrobnosti, takhle je to celé divné.

Odpovědět


Re: Co si mám představit pod

Mojmir Kosco,2020-10-02 07:44:42

Připojují se ja v tom provázanost nevidím, leda ze hsou dva fotony provazene a spolecne ovlivnuji dva ruzne objekty na ruznych místech bez ohledu na cas a vzdálenost. I tak lze ten pokus pochopit

Odpovědět

Milanko Baranek,2020-09-30 08:55:56

Kolosálne.

Odpovědět


Ale kdeže!

Vladimír Bzdušek,2020-09-30 16:14:54

Veď to má sotva milimeter.

Odpovědět


Re: Ale kdeže!

Milanko Baranek,2020-10-01 05:27:19

Veľkosť fotónu a milimeter je veľmi slušný pokrok.

Odpovědět


Re: Re: Ale kdeže!

Vladimír Bzdušek,2020-10-01 13:53:36

Lenže aby to bolo ozaj kolosálne, tak to ten fotón by musel mať aspoň ten milimeter!

Odpovědět


Re: Re: Re: Ale kdeže!

Pavel Hudecek,2020-10-01 14:57:15

Velikost fotonu, to je dost ošemetná věc, co si pod tím představit:-)

Pohled 1: Fotony, které plive běžná wifina, mají vlnovou délku něco přes 12 cm, FM vysílač plive třímetrové, z DCF na synchronizaci hodin lezou skoro čtyřkilometrové.

Pohled 2: Foton vyzářený všesměrovým zdrojem je vlastně koule expandující rychlostí světla, takže se za každý rok letu vesmírem zvětší o dva světelné roky. ... A pak celý zmizí, až ho sežere jeden atom.

Určitě by se našly i nějaké další pohledy.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Ale kdeže!

Vladimír Bzdušek,2020-10-01 18:08:24

Povedal by som, že ja nehovorím o nejakom prachobyčajnom fotóne,
ktorý skadesi vyletuje, ale o kolosálnom fotóne všetkých fotónov ...

Ale vážne.
Ja to vidím asi takto.
Teoretická fyzika nejako popisuje nejaké javy z mikrosveta,
ktoré sú niekedy viac-menej podivné, a tej zásadnej podivnosti
hovorí kvantová.
Beriem na vedomie.

Beriem na vedomie, že existuje dvojštrbinový experiment a jeho popis.
Ale zatiaľ neexistuje vysvetlenie, PREČO je to tak,
okrem tautológie, že preto, lebo je to kvantová fyzika.

Kým ľudské vedomie neprekročí úroveň, kedy dokáže vysvetliť,
že teda PREČO je to tak, asi sa nepohneme ďalej.

Samozrejme, dovtedy môžeme bez problémov využívať všetko praktické,
čo nám tieto objavy prinášajú,
ale stále budeme v pozícii pračloveka, ktorý udivene hľadel
na blesky a počul hromy, a netušiac, čo je ich podstatou
začal využívať oheň, vznikajúci ako vedľajší produkt.

P.S.
Zmienené vyletujúce fotóny ma z času na čas privedú k predstave
vysielača s anténou, ktorá sústava by fungovala kontinuálne
vo frekvenčnom spektre od nula do nekonečna.
To by bol pohľad na to, čo by z tej "antény" liezlo,
keby som prudko zatočil ladiacim knoflíkom ...
(Samozrejme, stupnica by musela byť logaritmická)

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Ale kdeže!

Vojtěch Běhunčík,2020-10-02 17:43:00

"...vysielača s anténou, ktorá sústava by fungovala kontinuálne vo frekvenčnom spektre od nula do nekonečna."
Když vyloučíme nulu (stejnosměrný proud vytváří pouze statické pole - pomineme-li přechodové jevy) a nekonečno a ještě za předpokladu, že někde tam je užitečný signál (nejen šum), tak něco podobného už existuje: metoda rozprostřeného spektra
https://en.wikipedia.org/wiki/Spread_spectrum
https://cs.wikipedia.org/wiki/Rozprost%C5%99en%C3%A9_spektrum

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Ale kdeže!

Marek Fucila,2020-10-02 01:59:17

Ten pohľad č. dva je zaujímavý. Až sa mi nechce veriť, že je to naozaj tak.
Skutočne sa dá urobiť všesmerová anténa, ktorá by dokázala vysielať kvantá po jednom fotóne?
A naozaj pohltením fotónu povedzme meter od antény zanikne celé toto kvantum aj na druhej strane antény? Teda energia z obalu gule s polomerom 1m sa v momente "vcucne" do priestoru atómu, ktorý fotón prijal?
To by sme mali kvantový jav v makroskopickom meradle.
Tuším tam nejakú záludnosť, pretože si viem predstaviť zariadenie, ktoré bude s dohodnutou kadenciou posielať všesmerové fotóny, pričom na jednej strane ich bude vysielajúci vychytávať v takom časovom vzore, ktorý zakóduje informáciu. Adresát na druhej strane bude o kúsok ďalej od vysielača čítať všetky fotóny a z tých, ktoré mu chýbjú vyskladá správu. To by bol okamžitá komunikácia na ľubovoľnú vzdialenosť prekračujúca rýchlosť svetla.

Môj tip je v tom, že háčik sa skrýva v neschopnosti atómu prijať takto "nariedený" fotón. Aby ho atóm absorboval, musel by mať ten fotón "v priestore" atómu energiu požadovaného kvanta. A čím ďalej od zdroja bude, tým menšia časť gule s daným atómom interaguje. Takže vzdialeným atómom to možno trochu "zahúpe", ale fotón si ide všetkými smermi ďalej. "Za" atómom oslabený.

Ale v tomto som úplný laik, tak možno to zle chápem. Moja aktuálna predstava je, že kým fotón ako vlna môže mať ľubovoľnú energiu, ta ako častica len presne definované kvantum - závislé od zdroja, ktorý ho vysiela alebo naopak od detektoru, ktorý ho deteguje. (Podľa toho, kde ho skúmame.) Inak povedané, ak by vysielač vyslal jeden fotón s energiou x eV, potom tento bude pohltený prijímačom len ak v jeho "okolí" má časť tejto guľovej vlny presne y eV, ktoré pohltí atóm detektora.

Analogicky v makrosvete by bol fotón ako častica kvapka vody. Tá môže mať tiež len určité veľkosti, podľa otvoru kvapadla (v závislosti od povrchov0ho naätia, tlaku, teploty atď.). V rámci vodného prúdu (vlny) ani nemá zmysel hovoriť o kvapkách, lebo sa v tom stave voda nenachádza. Tak ako v bežnom svetle nie sú počas letu podľa mňa prítomné jednotlivé fotóny. Do vody ale môžme namočiť detektor, ktorý zas podľa svojich rozmerov môže "vychytávať" kvapky. Tej vody ale musí byť dostatočné množstvo. Alebo pri vyššej teplote môžme vodné "fotóny" detegovať kondenzáciou pary. Zas bude od detektora závisieť, aké kvapky dokáže zachytiť...

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Ale kdeže!

Pavel Hudecek,2020-10-02 04:55:26

" "Za" atómom oslabený."
Ne. Tak to nefunguje. Se vzdáleností prostě klesá pravděpodobnost, že k interakci dojde. Atom má nějaký účinný průřez, foton v době "kontaktu" nějakou plochu vlny a z toho vyjde pravděpodobnost. Kdyby to fungovalo podle Vás, prodlužovala by se vlnová délka při průchodu útlumovým prostředím.

Dále je nutné si uvědomit, že:
- Dvojštěrbinový experiment prokazatelně funguje s jednotlivými fotony.
- Mnoho metrů velký astronomický dalekohled prokazatelně funguje s jednotlivými fotony.
- Nic nenasvědčuje tomu, že by to bylo jinak s mnoho světelných let velkou gravitační čočkou.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Ale kdeže!

Jan Novák9,2020-10-02 15:58:32

Podle orientace antény a vysílače to vypadá že vlnová délka fotonu znamená délku na šířku, tj. jednotlivý foton se musí strefit do antény a pokud proletí mimo tak ho anténa nezachytí. Tj. všesměrový vysílač který by vysílal jednotlivé fotony bude zachycen s pravděpodobností která se rovná poměru kulové plochy kde r=vzdálenost vysílače k vlnové délce fotonu. Určitě to už někdo ověřil.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Ale kdeže!

Pavel Hudecek,2020-10-02 19:43:59

Kvantová mechanika má tzv. účinný průřez. S tím je to jednoduché, podělíme plochu vlny s účinným průřezem a vyjde pravděpodobnost interakce. Rozhodně ale nečekejte, že účinný průřez je kolečko dle vlnové délky. Třeba takový atom sodíku bude mít pro skoro všechny fotony 0, jen pro 589 a 589,6 nm bude nějaký rozumný a v jejich velmi blízkém okolí plynule poroste.

Antén je mnoho různých druhů a radiotechnici u nich uvádějí různé tzv. aktivní plochy. Např. klasický půlvlnný dipól má elipsu dlouhou 0,75 lambda. A pak je tu ještě polarizace a vyzařovací diagram. Žádná anténa není absolutně všesměrová, ale dá se říct, že velmi krátké dipóly se tomu velmi blíží. Jen v ose nevyzařuje (nepřijímá) žádný (složitější antény to s těmi mrtvými směry mají taky složitější).

Takže abychom dostali účinný průřez, musíme vyhodnotit aktivní plochu antény, snížit to v rámci její citlivosti na polarizaci a případně ještě dle vyzařovacího diagramu. (A pak jsou ještě další složitosti, jako účinnost a přizpůsobení).

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Ale kdeže!

Marek Fucila,2020-10-03 23:12:10

Áno, to so zmenou vlnovej dĺžky mi po odoslaní príspevku tiež napadlo. Takže to nebola dobá úvaha.
Otázka pre mňa ale ostáva, či môže mať fotón ľubovoľný tvar vlny. Teda že či je možné vztvoriť taký všesmerový fotón. Všade sa kreslia fotóny ako priamočiare, respektýve kužel s rozptylom.
Dá sa každá anténa/svetlo donúťiť vyslať jediný fotón? Je to len o tom náboji, ktorý sa tam pošle? Alebo aj ten zdroj musí mať nejaké špeciálne vlastnosti? A naozaj všesmerová anténa posiela "guľaté" fotóny? Nemôže byť tá guľová vlnoplocha len vyskladaná z množstva fotónov, pričom pri vysielaní v režime "po jednom" by každý fotón vylietal z náhodného bodu na povrchu radiálne len jedným smerom?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Ale kdeže!

Pavel Hudecek,2020-10-04 11:38:53

S anténami se jednofotonové experimenty zatím nedělají, energie fotonů co z nich lezou je prostě moc malá, tak je zatím neumíme chytat samostatně. Na druhou stranu, nebylo nalezeno nic, co by vedlo k myšlence, že by existovala nějaká hranice existence fotonů, že by jako z antény nelezly.

Ale se světlem to není problém, máme fotonásobiče. Použijete třeba LEDku se singlemodovým optickým vláknem. Konec takového vlákna, když je volně ve vzduchu, je poměrně luxusní, skoro všesměrový zdroj. Pak stačí snížit intenzitu tak, aby byl průměrně třeba 1 foton za mikrosekundu a máte jednofotonový, skoro všesměrový zdroj.

No a pak můžete zkusit vzít třeba pár zrcátek a udělat soustavu, která bere světlo z opačných směrů a spojuje do jednoho místa. A tam zaregistrujete interferenci, i když fotony přicházejí po jednom.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace