Теоретики-путаники путают себя и людей разными способами

Сразу две группы теоретиков сообщили о том, что им удалось добиться квантовой запутанности в системе двух микромеханических осцилляторов, каждый из которых состоит из нескольких миллиардов атомов. В одной группе ученые использовали кремниевые оптомеханические кристаллы, соединенные лазерными пучками. Другая группа исследователей рассматривала колебания двух мембран, помещенных над металлическими пластинками и связанных электрической цепью, по которой распространялось микроволновое излучение. Обе статьи опубликованы в Nature.

Проще говоря, сопрягающим элементом двух микромеханических осцилляторов были в первом случае фотоны лазерного луча, а во втором случае электроны в проводах связывающих эти микромеханические осцилляторы. Можно было бы использовать и нитку как в детской игре в телефон, когда дети на расстоянии разговаривают через два осциллятора из спичечных коробочек связанных натянутой ниткой.

Итак, в деталях «достижения» теоретиков:

**********

Первая группа, возглавляемая Саймоном Грёблахером (Simon Gröblacher), использовала в качестве осцилляторов тонкие кремниевые палочки длиной около десяти микрометров, на которые направлялись пучки лазерного излучения. Палочки были обжаты по концам, а на протяжении всей длины в них были проделаны отверстия — благодаря давлению излучения длина палочек начинала периодически изменяться, причем частота механических колебаний оказывалась связана с частотой падающих и выходящих из палочки фотонов благодаря процессу Стокса. Осцилляторы были смонтированы на специальном чипе и отстояли друг от друга на расстоянии около двадцати сантиметров.

Для запутывания таких осцилляторов фотоны, излучаемые на выходе, должны быть неотличимы. В реальности это не достигнуто. Собственная механическая и оптическая частота колебаний осцилляторов тоже должны совпадать с очень хорошей точностью. Современный уровень технологий не позволяет полностью контролировать оптическую частоту на этапе изготовления, и итоговый разброс составляет около 0,1 процента, исследователи как бы придумали способ обойти эту проблему — для этого они изготовили порядка сотни осцилляторов с близкими частотами и отобрали среди них наиболее близкие. В итоге оптическая частота отобранных приборов составила около 193 терагерц, что отвечало длине волны около 1533,8 нанометра, а механическая частота примерно равнялась 5,1 гигагерца. К тому же частоту механических колебаний системы можно было контролировать прямо в ходе опыта, подстраивая параметры падающего на трубочки излучения.
Для создания и подтверждения запутанности между осцилляторами ученые использовали следующую трехшаговую схему. На первом шаге каждый из механических осцилляторов охлаждался до температуры порядка 60 милликельвинов, чтобы снизить влияние механических колебаний, которые не имеют отношения к рассеянию света, то есть перевести осцилляторы в основное состояние.

На следующем шаге осцилляторы помещались в различные плечи интерферометра, а рождающиеся в них в результате процесса Стокса фотоны регистрировались сверхпроводящими детекторами. При этом сила излучения была подобрана таким образом, чтобы вероятностью одновременного рождения фотонов в обоих осцилляторах можно было пренебречь. Получалось, будто осцилляторы запутались — если в одном из них рождался фотон и возникали механические колебания, можно было утверждать, что в другом осцилляторе колебаний не возникало. В то же время, делители лазерных пучков были установлены не только перед осцилляторами, но и после, то есть рождение фотона регистрировали сразу оба детектора. Поскольку оптическая частота осцилляторов совпадала, точно сказать, в каком из них родился фотон, было нельзя.

Наконец, на последнем шаге исследователи подтвердили, что осцилляторы действительно запутались. Для этого они запускали в систему сравнительно мощный «считывающий» импульс — такой, чтобы он вызывал процесс анти-Стокса и позволял ухватить механическое состояние каждого из осцилляторов, но не нагревал их и не приводил к декогеренции. В результате между состояниями полной системы возникал дополнительный фазовый сдвиг, изменяя который, можно было проследить за состояниями отдельных осцилляторов. В самом деле, измеренная учеными зависимость свидетельствовала о запутанности трубочек.

**************

Во второй статье группа физиков под руководством Мика Силанпяя (Mika Sillanpää) исследовала квантовую запутанность на несколько другой установке. Вместо оптомеханических осцилляторов они использовали более привычные приборы, состоящие из металлической мембраны диаметром около 15 микрометров, помещенной над металлической пластинкой. Собственная частота механических колебаний таких осцилляторов составляла около десяти мегагерц, а принцип их работы напоминал барабан или обычные звуковые динамики.

Чтобы запутать осцилляторы, ученые соединили их проводами, по которым могли распространяться микроволновые волны. При этом осцилляторы находились на расстоянии около 600 микрометров друг от друга, то есть непосредственно взаимодействовать не могли. Как и в первой статье, ученые охладили установку до низкой температуры — на этот раз она составила примерно 14 милликельвинов.

Затем ученые запутали осцилляторы, запуская в электрическую цепь волны особой формы — такое запутывание отдаленно напоминает связывание двух маятников пружинкой. После этого физики направили на систему две пробные волны с известной разницей фаз и измерили зависимость средних квадратов отклонений осцилляторов от положения равновесия. Выяснилось, что при изменении фазы эти величины менялись практически одинаково — собственно, это указывало на запутанность осцилляторов.