Kuantum dolaşıklığı, Dünya’nın dönüşünü daha önce hiç olmadığı şekilde ölçer

Viyana Üniversitesi’ndeki bir kuantum fiziği deneyi, dolaşık fotonlar kullanarak Dünya’nın dönüşünü ölçmede çığır açıcı bir doğruluk elde etti.

Çalışma, dönüş etkilerini benzeri görülmemiş bir hassasiyetle tespit etmek için kuantum dolaşıklığından yararlanan geliştirilmiş bir Sagnac optik girişimölçer kullanıyor ve hem kuantum mekaniğinde hem de genel görelilik alanında potansiyel atılımlar sunuyor.

Öncü kuantum deneyi

Bir araştırmacı ekibi, Dünya’nın dönüşünün kuantum dolaşık fotonlar üzerindeki etkisini ölçtükleri öncü bir deney gerçekleştirdi. Viyana Üniversitesi’nden Philipp Walter liderliğindeki çalışma yakın zamanda dergide yayınlandı. Bilimin ilerlemesi. Bu, dolanıklık tabanlı sensörlerdeki dönüş hassasiyetinin sınırlarını zorlayan büyük bir atılımı temsil ediyor ve kuantum mekaniği ile genel görelilik arasındaki kesişme noktasında daha fazla araştırmanın önünü açıyor.

Sagnac interferometrelerdeki gelişmeler

Sagnac optik interferometreler dönmeye en duyarlı olanlar arasındadır. Geçtiğimiz yüzyılın ilk yıllarından bu yana temel fizik anlayışımızın merkezinde yer almış ve Einstein’ın özel görelilik teorisinin kurulmasına katkıda bulunmuştur. Bugün, benzersiz doğruluğu, onu yalnızca klasik fiziğin sınırlarıyla sınırlı olan dönme hızlarını ölçmek için ideal bir araç haline getiriyor.

Sagnac interferometresi, 1,4 m uzunluğunda kare kenarlı alüminyum çerçeve etrafına sarılmış 2 km uzunluğunda optik fiberlerden yapılmıştır. Kredi bilgileri: Rafael Silvestri

Kuantum dolaşıklığı duyarlılığı artırıyor

Kuantum dolaşıklığını kullanan girişimölçerler bu sınırları aşma potansiyeline sahiptir. İki veya daha fazla parçacık dolaşmışsa yalnızca toplam durum bilinir, tek tek parçacığın durumu ise ölçüme kadar belirlenmeden kalır. Bu, her ölçüm için, onsuz elde edilebilecek olandan daha fazla bilgi elde etmek için kullanılabilir. Ancak duyarlılıkta vaat edilen kuantum sıçraması, dolanıklığın son derece hassas doğası nedeniyle sekteye uğradı.

Burada Viyana deneyimi fark yarattı. Devasa bir Sagnac fiber optik girişimölçer inşa ettiler ve gürültüyü birkaç saat boyunca düşük ve sabit tuttular. Bu, yeterli düzeyde yüksek kaliteli dolaşıklığın tespit edilmesini sağladı Foton Bu tür çiftler, önceki Sagnac kuantum optik interferometrelerin dönüş çözünürlüğünden bin kat daha iyi performans gösteriyor.

Kuantum ölçümünde yenilikçi teknikler

Bir Sagnac interferometresinde, iki parçacık dönen kapalı bir yol üzerinde zıt yönlerde hareket eder ve başlangıç ​​noktasına farklı zamanlarda ulaşır. Dolanık iki parçacık söz konusu olduğunda durum korkutucu hale gelir: Dolaşmanın olmadığı bir senaryoya kıyasla iki kat daha fazla gecikme biriktirirken aynı anda her iki yönü de deneyimleyen tek bir parçacık gibi davranırlar. Bu eşsiz özellik, ultra hassasiyet olarak bilinir. Gerçek deneyde, iki dolaşmış foton, devasa bir bobine sarılı 2 kilometre uzunluğundaki optik fiber içinde yayılarak 700 metrekareden fazla etkili alana sahip bir interferometre oluşturuyordu.

Kuantum deneylerindeki zorlukların üstesinden gelmek

Araştırmacıların karşılaştığı en büyük engellerden biri, Dünya’nın sabit dönüş sinyalini izole etmek ve çıkarmaktı. Baş yazar Raffaele Silvestri, “Meselenin özü, ölçümlerimiz için ışığın Dünya’nın dönüşünün etkisinden etkilenmediği bir referans noktası oluşturmaktır” diye açıklıyor: “Dünya’nın dönüşünü durduramayacağımız için alternatif bir çözüm geliştirdik. : optik fiberi eşit uzunlukta iki bobine bölmek ve bunları bir optik anahtar aracılığıyla bağlamak.

Araştırmacılar, anahtarı açıp kapatarak, dönüş sinyalini istedikleri zaman etkili bir şekilde iptal edebildiler; bu da, daha büyük cihazlarının stabilitesini artırmalarına da olanak tanıdı. Silvestri, “Temel olarak ışığı, dönmeyen bir evrende var olduğunu düşünmesi için kandırdık” diyor.

Kuantum mekaniğini ve göreli etkileşimleri doğrulayın

Viyana Üniversitesi ve Avusturya Bilimler Akademisi’nin ev sahipliği yaptığı TURIS araştırma ağının bir parçası olarak gerçekleştirilen deney, Dünya’nın dönüşünün maksimum dolanık foton durumu üzerindeki etkisini gözlemlemeyi başardı. Bu, Einstein’ın özel görelilik teorisinde ve kuantum mekaniğinde açıklandığı gibi, dönen referans sistemleri ile kuantum dolaşıklığı arasındaki etkileşimi, önceki deneylerle karşılaştırıldığında bin kat geliştirilmiş doğrulukla doğrulamaktadır.

Marie’de araştırmacı olarak deney üzerinde çalışan Haokun Yu, “Bu, bireysel ışık kuantumlarının dolaşıklığının sonunda aynı algılama sistemlerine girdiği, Dünya’nın ışıkla dönüşünün ilk gözleminden bu yana geçen yüzyılda önemli bir olayı temsil ediyor” diyor. Curie Üniversitesi. Doktora sonrası araştırmacı.

Philipp Walther, “Sonuçlarımızın ve metodolojimizin, dolanıklık tabanlı sensörlerin dönüş hassasiyetinde daha fazla iyileştirme yapılmasının önünü açacağına inanıyorum. Bu, kuantum dolaşıklığın uzay-zaman eğrileri boyunca davranışını test eden gelecekteki deneylerin önünü açabilir” diye ekliyor.

Referans: Raffaele Silvestri, Haokun Yu, Theodor Stromberg, Christopher Helwig, Robert W. Peterson ve Philip Walther tarafından “Kuantum dolaşma ile Dünya’nın dönüşünün deneysel gözlemi”, 14 Haziran 2024, Bilimin ilerlemesi.
doi: 10.1126/sciadv.ado0215