Σπάζοντας τα μικροσκοπικά όρια της κβαντικής μηχανικής, ερευνητές στο Νότιο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας και στο Κέντρο Κβαντικής Επιστήμης της Ευρύτερης Περιοχής Κουάνγκτουνγκ–Χονγκ Κονγκ–Μακάο δημιούργησαν ένα τεράστιο σωματίδιο-«γάτα του Σρέντινγκερ» υπό συνθήκες υπερψύξης, αγγίζοντας σχεδόν το απόλυτο μηδέν.
Στην κβαντική μηχανική, τα σωματίδια μπορούν να υπάρχουν σε μια υπέρθεση αβεβαιότητας και αποκτούν μια συγκεκριμένη θέση μόνο όταν μετρηθούν – κάτι που απεικονίζεται με τον πιο διάσημο τρόπο από τη γάτα του Σρέντινγκερ, ένα παράδειγμα στο οποίο η κατάσταση μιας γάτας μέσα σε ένα κουτί δεν μπορεί να είναι γνωστή μέχρι αυτό να ανοιχτεί.
Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Physics, ερευνητές ανέπτυξαν ένα σύμπλεγμα επτά ατόμων το οποίο, διερχόμενο από φράγμα υψηλότερο της κινητικής του ενέργειας, εισήλθε σε κατάσταση υπέρθεσης σε νέα κλίμακα.
Κβαντική Υπέρθεση
Όταν ένα αντικείμενο εισέρχεται σε κβαντική υπέρθεση, θεωρητικά καταλαμβάνει πολλαπλά σημεία του χώρου ταυτόχρονα, με την ακριβή του θέση να παραμένει αβέβαιη μέχρι να πραγματοποιηθεί μια μέτρηση. Συνήθως, αυτό το φαινόμενο περιορίζεται σε εξαιρετικά μικρά, υποατομικά συστήματα.
Ωστόσο, στη νέα τους έρευνα, η ομάδα από το Χονγκ Κονγκ και την Κίνα πέτυχε κβαντική σήραγγα σε ένα μεγαλύτερο σύστημα, γεγονός που θα μπορούσε να αποτελέσει σημαντική ώθηση για την ανάπτυξη κβαντικών αισθητήρων σε μεγαλύτερη κλίμακα.
Επιπλέον της χωρικής κβαντικής υπέρθεσης, η ομάδα προσδιόρισε το φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας ως την έτερη βασική έννοια της πρόσφατης εργασίας της.
Η ικανότητα ενός σωματιδίου να διέρχεται μέσω του φαινομένου της σήραγγας –δηλαδή η ικανότητά του να διαπερνά ένα στερεό εμπόδιο ή ένα φράγμα ενέργειας που υπό κανονικές συνθήκες θα ήταν απόρθητο με βάση την κλασική φυσική– μειώνεται όσο αυξάνεται η μάζα του.
Οι ερευνητές αναρωτήθηκαν αν υπήρχε τρόπος να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, επιτρέποντας σε μακροσκοπικά αντικείμενα να υποστούν το φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας. Συνήθως, η κβαντική σήραγγα συμβαίνει σε υποατομική κλίμακα, ίσως το πολύ σε ένα μεμονωμένο άτομο, ωστόσο η ομάδα επιδίωξε στη νέα της εργασία να μετακινήσει αρκετά άτομα ενωμένα μεταξύ τους μέσω μιας κβαντικής σήραγγας.
Κβαντική Δραστηριότητα σε Μεγάλη Κλίμακα
Για τον μεγάλης κλίμακας κβαντικό επιταχυντή σήραγγας, η ομάδα δημιούργησε ένα σύστημα μάζας σε ένα οπτικό πλέγμα, ψύχοντας τα άτομα κοντά στο απόλυτο μηδέν και παγιδεύοντάς τα με δέσμες λέιζερ.
Πολλές κβαντικές τεχνολογίες, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές, απαιτούν εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, καθώς η ψύξη των ατόμων σε αυτόν τον βαθμό ενισχύει τις κβαντικές τους ιδιότητες.
Ενώ η πρόσθετη μάζα δυσχεραίνει την κβαντική σήραγγα λόγω αναποτελεσματικότητας, η δημιουργία μιας υπέρθεσης σε ένα τόσο σχετικά μεγάλο αντικείμενο θα μπορούσε να έχει συναρπαστικές επιπτώσεις για τη θεμελιώδη φυσική, ιδιαίτερα στην ελάχιστα κατανοητή σχέση μεταξύ κβαντικής μηχανικής και βαρύτητας.
Το κλειδί για την επιτυχία της ομάδας ήταν η χρήση ενός σχετικά ασθενούς δεσμού μεταξύ των ατόμων, αντί για τους ισχυρότερους δεσμούς που χρησιμοποιούνται συνήθως, επιτρέποντάς τους να εκμεταλλευτούν το αντικείμενο ώστε να επιτύχουν μια ισχύ σήραγγας παραπλήσια με εκείνη ενός μεμονωμένου ατόμου.
Με αυτή τη νέα μέθοδο, η ομάδα ανέπτυξε μια εξαιρετικά κλιμακώσιμη διαδικασία, η οποία είναι θεωρητικά ικανή να επιτύχει τα ίδια αποτελέσματα με περίπου 100 άτομα. Η περαιτέρω εργασία για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων τους θα μπορούσε να οδηγήσει στη δημιουργία και την ανίχνευση ακόμη μεγαλύτερων χωρικών κβαντικών υπερθέσεων.
Μελλοντικές Εφαρμογές
Η εργασία αυτή ενδέχεται να επιτρέψει σε μελλοντικούς ερευνητές να διερευνήσουν τα κβαντικά φαινόμενα σε ακόμη μεγαλύτερες κλίμακες και να διευκολύνει την ανάπτυξη κβαντικών αισθητήρων και συσκευών μέτρησης.
Επιπλέον, η ατομική συμβολομετρία, η οποία μετρά την κίνηση, τη βαρύτητα, τον χρόνο και άλλα μεγέθη με βάση την κυματική συμπεριφορά των ατόμων, θα μπορούσε να επωφεληθεί από αυτή την τεχνική, ξεπερνώντας το συνηθισμένο κβαντικό όριο.
Αυτό θα μπορούσε να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμο για τη διερεύνηση της ασθενούς σχέσης μεταξύ βαρύτητας και μάζας, η οποία είναι δύσκολο να ανιχνευθεί σε πολύ μικρές κλίμακες.
Στο εγγύς μέλλον, οι ερευνητές έχουν προσδιορίσει συγκεκριμένα στοιχεία του έργου τους με τα οποία θα συνεχίσουν να ασχολούνται.
Η επιτυχία τους στο πείραμα επέτρεψε επίσης στην ομάδα να παρατηρήσει ιδιόμορφα κβαντικά φαινόμενα, όπως καταστάσεις ισχυρής αλληλεπίδρασης με μεγάλη διάρκεια ζωής και αλληλεπιδράσεις πολλών σωμάτων, τις οποίες ελπίζουν να διερευνήσουν περαιτέρω.
Προχωρώντας μπροστά, στοχεύουν επίσης να ξεπεράσουν το τρέχον θεωρητικό όριο των 100 ατόμων στην εργασία τους, φτάνοντας στα αρκετά εκατοντάδες άτομα.
