Квантовая физика в действии: запутанные фотоны «увидели» вращение Земли

В мире науки всегда найдется место для элегантных экспериментов, которые не просто подтверждают известные истины, но и открывают новые горизонты познания. Недавно группа физиков из Венского университета представила миру именно такой эксперимент, объединивший в себе поэзию квантовой механики и строгий ритм вращения нашей планеты.

Их инструментом стал не телескоп, устремленный в бездну космоса, а хитроумный прибор, расположенный в стенах лаборатории — квантовый интерферометр рекордных размеров. Используя магию запутанных фотонов, ученые смогли не только с высокой точностью измерить скорость вращения Земли, но и продемонстрировали потенциал для будущих исследований на стыке квантового мира и общей теории относительности.

Сердцем эксперимента стал интерферометр Саньяка — устройство, основанное на эффекте, открытом французским физиком Жоржем Саньяком еще в начале XX века. Суть эффекта заключается в том, что свет, распространяющийся по замкнутому контуру в противоположных направлениях, будет иметь разное время прохождения, если контур вращается.

Венские физики пошли дальше, заменив обычный свет на квантово-запутанные фотоны. Запутанные фотоны — это частицы, судьбы которых неразрывно связаны, независимо от расстояния между ними. Изменение состояния одного фотона мгновенно отражается на другом, как будто они танцуют невидимый вальс.

В эксперименте использовались пары фотонов, находящиеся в состоянии суперпозиции, — состоянии, где они одновременно находились в обоих направлениях интерферометра. Вращение Земли приводило к разнице в фазе колебаний запутанных фотонов, которая, благодаря суперпозиции, была в два раза больше, чем при использовании обычного света.

Точность измерения оказалась настолько высока, что ученые смогли зафиксировать даже незначительные изменения в скорости вращения Земли, вызванные акустическими колебаниями и температурными флуктуациями.

Данный эксперимент — не просто красивое доказательство уже известного факта вращения Земли. Это важный шаг на пути к созданию сверхчувствительных квантовых датчиков, способных регистрировать гравитационные волны, исследовать эффекты искривления пространства-времени и, возможно, даже пролить свет на природу темной материи.

Возможно, в будущем квантовые интерферометры станут привычным инструментом не только в лабораториях физиков, но и в навигационных системах, геологических исследованиях и даже в космических путешествиях. А пока — мы можем восхищаться красотой и изяществом квантового вальса, который помогает нам лучше понять мир, в котором мы живем.

В статье упоминается, что квантовые интерферометры могут помочь в поиске темной материи. Каким образом свет, пусть даже и квантово-запутанный, может «увидеть» то, что не взаимодействует с электромагнитным излучением?

Действительно, темная материя не взаимодействует с электромагнитным излучением напрямую. Однако, согласно современным представлениям, она обладает массой и, следовательно, гравитацией. Квантовые интерферометры, будучи чрезвычайно чувствительными к гравитационным возмущениям, могли бы зарегистрировать аномалии, вызванные присутствием темной материи.

Представьте себе батут, натянутый в космосе. Планеты, звезды и другие объекты, обладающие массой, будут прогибать этот батут, создавая гравитационные «ямы». Темная материя, хоть и невидима, также будет оказывать гравитационное воздействие, создавая свои «ямы» на батуте. Квантовые интерферометры, подобно чувствительным датчикам, могли бы уловить эти «прогибы» и указать на присутствие темной материи.

Эксперимент был проведен в лаборатории, защищенной от внешних воздействий. Насколько применимы результаты к реальным условиям, например, в открытом космосе?

Это важный вопрос. Лабораторные условия всегда являются идеализированными. В реальных условиях, особенно в открытом космосе, воздействий гораздо больше: перепады температур, космическая радиация, гравитационные поля других небесных тел. Однако, успех лабораторного эксперимента — это первый шаг к созданию квантовых датчиков, способных работать и в таких условиях.

Сейчас ведутся активные разработки по защите квантовых систем от внешних воздействий, а также по созданию более компактных и надежных квантовых интерферометров. Так что есть все основания полагать, что в будущем эта технология выйдет за пределы лабораторий и найдет широкое применение в космосе.

В статье упоминается об «экспоненциальной хрупкости» двухфотонных N00N состояний. Что это означает и как это влияет на дальнейшее развитие квантовых интерферометров?

«Экспоненциальная хрупкость» N00N состояний означает, что с ростом числа фотонов (N) в запутанном состоянии, вероятность его сохранения экспоненциально падает при наличии потерь в системе. Например, поглощение или рассеяние даже одного фотона разрушает все запутанное состояние. Это является серьезным препятствием для создания интерферометров с большим числом запутанных фотонов, что необходимо для дальнейшего повышения их чувствительности.

Однако, ученые работают над решением этой проблемы. Разрабатываются новые методы генерации и манипулирования запутанными фотонами, а также новые типы интерферометров, менее подверженные влиянию потерь.

В целом, развитие квантовых интерферометров находится на начальном этапе. Но уже сейчас видно, что эта технология обладает огромным потенциалом и может привести к революционным открытиям в разных областях науки.