Учёные впервые оценили влияние вращения Земли на квантово запутанные фотоны — это поможет в поисках связи квантовой механики и ОТО

Группа исследователей под руководством Филиппа Вальтера (Philip Walther) из Венского университета провела уникальный эксперимент, в ходе которого было измерено влияние вращения Земли на квантово запутанные фотоны. Классический инструмент для доказательства правоты общей теории относительности впервые был использован для оценки явления квантовой механики, что открывает путь к поиску связи между материальным и квантовым миром.

Источник изображений: University of Vienna

Посвящённая исследованию работа опубликована в журнале Science Advances. Учёные создали самый большой в мире интерферометр Саньяка, известный уже около ста лет. Этот прибор или датчик даёт возможность находить доказательства для ряда положений общей теории относительности, в частности, являясь наиболее чувствительным детектором вращения, например, нашей планеты. Исследователи из Вены собрали свою версию прибора на 1,4-м алюминиевой раме (катушке), намотав на неё две обмотки оптического кабеля по 2 км каждая.

Изоляция обмотки была достаточно надёжной, чтобы на несколько часов снизить уровень квантовых шумов ниже заданной границы чувствительности. Это позволило уверенно детектировать достаточное количество запутанных фотонов, чтобы потом использовать их для эксперимента.

Одна обмотка, пояснили учёные, не позволяла установить точку отсчёта для измерений — вытащить из данных измерений сигнал о постоянном вращении Земли. Необходимо было «обмануть свет, чтобы заставить его подумать, будто Вселенная неподвижна». Этот эффект достигался за счёт переключения между обмотками.

«Суть вопроса, — объясняет ведущий автор Раффаэле Сильвестри (Raffaele Silvestri), — заключалась в установлении точки отсчета для наших измерений, где свет остаётся незатронутым эффектом вращения Земли. Учитывая нашу неспособность остановить вращение Земли, мы придумали обходной путь: разделили оптическое волокно на две катушки одинаковой длины и соединили их с помощью оптического переключателя». Используя переключатель, исследователи смогли эффективно подавлять сигнал вращения по своему желанию, что также позволило им повысить стабильность работы прибора. «Мы, по сути, обманули свет, заставив его думать, что он находится в невращающейся Вселенной», — сказал Сильвестри.

Идея эксперимента в том, что запутанные фотоны при измерении дают больше информации, чем обычные. Это может помочь раздвинуть границы чувствительности прибора за рамки классической физики в область квантовой механики.

Экспериментальная установка

В обычном интерферометре Саньяка два фотона двигались бы навстречу друг другу и вернулись бы в точку старта с некоторой разницей во времени, в зависимости от скорости вращения системы. В случае запуска по маршруту запутанных фотонов ситуация сложнее — оба фотона одновременно движутся навстречу друг другу как одна частица. При этом задержка по времени увеличивается в два раза, поясняют учёные, и это в два раза повышает разрешение датчика — достигается так называемое сверхразрешение.

Это подтвердило взаимодействие между вращающимися системами отсчёта и квантовой запутанностью, теоретическое описание чего можно найти как в специальной теории относительности Эйнштейна, так и в квантовой механике. Сделано это с тысячекратным повышением точности по сравнению с предыдущими экспериментами.

«Это является важной вехой, поскольку спустя столетие после первого наблюдения вращения Земли с помощью света запутывание отдельных квантов света, наконец, вошло в те же режимы чувствительности, — пояснил Хаокун Ю (Haocun Yu), который работал над этим экспериментом в качестве научного сотрудника Института Марии Кюри. — Я верю, что наши результаты и методология заложат основу для дальнейшего улучшения чувствительности датчиков, основанных на оценке вращения запутанностью. Это может открыть путь для будущих экспериментов по проверке поведения квантовой запутанности с учётом кривизны пространства-времени».