Квантовые запутанные фотоны реагируют на вращение Земли

Группа исследователей под руководством Филипа Вальтера из Венского университета провела новаторский эксперимент, в ходе которого они измерили влияние вращения Земли на квантово запутанные фотоны. Работа, опубликованная в Достижения наукипредставляет собой значительное достижение, которое расширяет границы чувствительности к вращению в датчиках на основе запутывания, потенциально создавая основу для дальнейших исследований на стыке квантовой механики и общей теории относительности.

Оптические интерферометры Саньяка — наиболее чувствительные устройства к вращению. Они сыграли решающую роль в нашем понимании фундаментальной физики с начала прошлого века, способствуя созданию специальной теории относительности Эйнштейна. Сегодня их беспрецедентная точность делает их идеальным инструментом для измерения скорости вращения, ограниченным только пределами классической физики.

Интерферометры, использующие квантовую запутанность, могут нарушить эти границы. Если две или более частицы запутаны, известно только общее состояние, тогда как состояние отдельной частицы остается неопределенным до момента измерения. Это можно использовать для получения большего количества информации за одно измерение, чем это было бы возможно без него. Однако обещанному квантовому скачку чувствительности помешала чрезвычайно деликатная природа запутанности. Вот где венский эксперимент имел решающее значение.

Исследователи построили гигантский оптоволоконный интерферометр Саньяка и поддерживали низкий и стабильный уровень шума в течение нескольких часов. Это позволило обнаружить достаточное количество запутанных пар фотонов высокого качества, чтобы превзойти точность вращения предыдущих квантово-оптических интерферометров Саньяка в тысячу раз.

В интерферометре Саньяка две частицы, движущиеся в противоположных направлениях вращающейся замкнутой траектории, достигают начальной точки в разное время. С двумя запутанными частицами ситуация становится жуткой: они ведут себя как одна частица, тестирующая оба направления одновременно, накапливая при этом вдвое большую временную задержку по сравнению со сценарием, в котором запутанности нет.

Это уникальное свойство известно как сверхразрешение. В реальном эксперименте два запутанных фотона распространялись внутри оптического волокна длиной 2 километра, намотанного на огромную катушку, образуя интерферометр с эффективной площадью более 700 квадратных метров.

Серьезным препятствием, с которым столкнулись исследователи, было выделение и извлечение сигнала устойчивого вращения Земли. «Суть вопроса заключается в установлении контрольной точки для наших измерений, где на свет не влияет эффект вращения Земли. Учитывая нашу неспособность остановить вращение Земли, мы разработали обходной путь: разделить оптическое волокно на две катушки одинаковой длины и соединяя их через оптический переключатель», — объясняет ведущий автор Рафаэле Сильвестри.

Включая и выключая переключатель, исследователи могли эффективно отключать сигнал вращения по своему желанию, что также позволило им повысить стабильность своего большого аппарата. «По сути, мы обманули свет, заставив его думать, что он находится в невращающейся Вселенной», — говорит Сильвестри.

Эксперимент, проведенный в рамках исследовательской сети TURIS, организованной Венским университетом и Австрийской академией наук, успешно наблюдал влияние вращения Земли на максимально запутанное двухфотонное состояние. Это подтверждает взаимодействие между вращающимися системами отсчета и квантовой запутанностью, описанное в специальной теории относительности и квантовой механике Эйнштейна, с тысячекратным улучшением точности по сравнению с предыдущими экспериментами.

«Это представляет собой значительную веху, поскольку спустя столетие после первого наблюдения вращения Земли со светом запутанность отдельных квантов света наконец вошла в те же режимы чувствительности», — говорит Хаокунь Юй, работавший над этим экспериментом в качестве Марии-Кюри. Постдокторант.

«Я считаю, что наши результаты и методология заложат основу для дальнейшего улучшения чувствительности датчиков, основанных на спутывании, к вращению. Это может открыть путь для будущих экспериментов по проверке поведения квантовой запутанности через кривые пространства-времени», — добавляет Филип Вальтер.