Симпатическая схема охлаждения и численное моделирование. (а) Оптическая связь связывает движение центра масс двух микросфер (изображенных в виде пружины между частицами). Когда к левой частице применяется охлаждение с обратной связью, правая частица охлаждается симпатически. (б), (в) Эволюция во времени смоделированных температур центра масс ???? 1 (сплошные линии) и ???? 2 (штриховые линии) для частиц с обратной и симпатической охлаждением, соответственно, в зависимости от давления газа для (б) ???? /????=0,01ξ/κ=0,01 и (в) ????/????=0,1ξ/κ=0,1. (d) Смоделированные установившиеся температуры ???? 1 (синий) и ???? 2 (красный) в зависимости от давления газа для различных сил связывания. Предоставлено: Оптика (2022). DOI: 10.1364/ОПТИКА.466337

Это исследование, опубликованное в журнале Optica, может помочь ответить на давний открытый вопрос в физике — почему таинственные квантовые эффекты, управляющие поведением атомов и молекул, не наблюдаются в повседневном масштабе.

Квантовая механика описывает поведение исключительно малых объектов при очень низких температурах. Среди замечательных эффектов квантовой механики — квантовая запутанность.

Названный Эйнштейном «призрачным действием на расстоянии», этот эффект связывает судьбу разделенных объектов: выполнение измерения одного объекта мгновенно сообщает вам результат такого же измерения другого объекта, даже если он находится исключительно далеко. Это стоит за нынешним стремлением реализовать квантовые компьютеры и квантовое шифрование.

Чтобы увидеть запутанность между двумя объектами, они сначала должны находиться в квантовом режиме. Это означает, что они должны быть невероятно холодными — и чем больше объект, тем холоднее он должен быть. По этой причине запутанность когда-либо демонстрировалась только с исключительно маленькими и холодными объектами, такими как небольшие облака атомов или молекул. Запутывание повседневных предметов остается в области научной фантастики.

Однако, сделав важный шаг к этой цели, международная группа исследователей из Шотландии, Австралии, США и Чехии разработала способ охлаждения двух или более стеклянных шариков, каждый размером с эритроцит, к температурам ниже, чем в глубинах космоса.

Для объектов такого размера скорость их движения связана с их температурой, поэтому замедление объекта эффективно охлаждает его. Команда использовала лазеры для охлаждения одной из бусинок, которая затем действовала как холодильник для дополнительной бусинки. Они добились этого, используя рассеяние света между бусинами, чтобы соединить их движение. Снижение температуры холодильника с лазерным охлаждением привело к охлаждению других шариков менее чем на один градус выше абсолютного нуля — самой низкой температуры, достижимой во Вселенной, и почти на 300 градусов ниже, чем теплый день.

Доктор Ёсихико Арита, научный сотрудник Школы физики и астрономии Университета и первый автор исследования, сказал: «Этот эксперимент показывает новый путь, с помощью которого мы можем охлаждать два или более объекта. Удивительно, что подход совместим со многими текущими экспериментами в этой области, и это предлагает потенциальный способ увидеть запутанность объектов, которые находятся на грани того, что мы можем видеть невооруженным глазом».

Профессор Кишан Дхолакия из Школы физики и астрономии и Университета Аделаиды, руководивший исследованием, сказал: «Левитирующие частицы готовы предложить сдвиг парадигмы для земного восприятия фундаментальных сил и квантовой физики, лучших датчиков гравитационных волн. Эта работа вдохновит исследователей на изучение достоинств множественных частиц для ряда исследований в этой растущей области».