הניסוי צולם תוך שהוא משרטט סכימת סיבים התערבותית של Sagnac בתוך תוספת מגדילה החל ממיקום מקומי (וינה, אוסטריה) של כדור הארץ המסתובב. שני פוטונים בלתי ניתנים להבחין נפלו על קוביית מפצל קרן, נוצרת הסתבכות ביניהם, ואז הם מחוברים באינטרפרומטר הסיבים. קרדיט: מרקו די ויטה
ניסוי בפיזיקה קוונטית באוניברסיטת וינה השיג דיוק פורץ דרך במדידת סיבוב כדור הארץ באמצעות פוטונים סבוכים.
המחקר משתמש באינטרפרומטר אופטי של Sagnac משופר הממנף הסתבכות קוונטית כדי לזהות אפקטים סיבוביים בדיוק חסר תקדים, ומציע פריצות דרך אפשריות הן במכניקת הקוונטים והן בתורת היחסות הכללית.
ניסוי קוונטי חלוצי
צוות חוקרים ביצע ניסוי חלוצי שבו מדדו את השפעת סיבוב כדור הארץ על פוטונים קוונטיים מסתבכים. העבודה, בראשות פיליפ וולטר מאוניברסיטת וינה, פורסמה זה עתה בכתב העת התקדמות המדע. הוא מייצג הישג משמעותי שדוחף את גבולות רגישות הסיבוב בחיישנים מבוססי הסתבכות, ובכך עשוי להציב את הבמה לחקירה נוספת בצומת שבין מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית.
התקדמות באינטרפרומטרים של Sagnac
מדי אינטרפרומטרים אופטיים של Sagnac הם המכשירים הרגישים ביותר לסיבובים. הם היו מרכזיים בהבנתנו את הפיזיקה הבסיסית מאז השנים הראשונות של המאה הקודמת, ותורמים לביסוס תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין. כיום, הדיוק שאין שני לו הופך אותם לכלי האולטימטיבי למדידת מהירויות סיבוב, מוגבל רק על ידי גבולות הפיזיקה הקלאסית.
אינטרפרומטר Sagnac בנוי עם 2 קילומטרים של סיבים אופטיים עטופים סביב מסגרת אלומיניום מרובעת באורך 1.4 מטר. קרדיט: רפאלה סילבסטרי
הסתבכות קוונטית משפרת את הרגישות
לאינטרפרומטרים המשתמשים בהסתבכות קוונטית יש פוטנציאל לפרוץ את הגבול הזה. אם שני חלקיקים או יותר מסתבכים, רק המצב הכללי ידוע, בעוד שמצבו של החלקיק הבודד נותר בלתי מוגדר עד למדידה. זה יכול לשמש כדי לקבל יותר מידע לכל מדידה ממה שהיה אפשרי בלעדיו. עם זאת, הקפיצה הקוונטית המובטחת ברגישות הופרעה על ידי האופי העדין ביותר של ההסתבכות.
כאן הניסוי בווינה עשה את ההבדל. הם בנו אינטרפרומטר סיב אופטי ענק של Sagnac ושמרו על רעש נמוך ויציב במשך מספר שעות. זה איפשר זיהוי של מספיק סבוכים באיכות גבוהה פוטון זוגות כאלה כדי לעלות על דיוק הסיבוב של אינטרפרומטרים קוונטיים אופטיים של Sagnac פי אלף.
טכניקות חדשניות במדידה קוונטית
באינטרפרומטר של Sagnac, שני חלקיקים הנעים בכיוונים מנוגדים של נתיב סגור מסתובב מגיעים לנקודת ההתחלה בזמנים שונים. עם שני חלקיקים מסתבכים, זה הופך למפחיד: הם מתנהגים כמו חלקיק בודד הבודק את שני הכיוונים בו זמנית תוך צבירת עיכוב זמן כפול בהשוואה לתרחיש שבו לא קיימת הסתבכות. נכס ייחודי זה מכונה רזולוציית סופר. בניסוי בפועל, שני פוטונים סבוכים התפשטו בתוך סיב אופטי באורך 2 ק"מ שנפצע על סליל ענק, תוך מימוש אינטרפרומטר בשטח יעיל של יותר מ-700 מטרים רבועים.
התגברות על אתגרים בניסויים קוונטיים
מכשול משמעותי שעמם התמודדו החוקרים היה בידוד וחילוץ אות הסיבוב היציב של כדור הארץ. "הליבה של העניין", מסבירה הסופרת הראשית רפאלה סילבסטרי, "טמונה בהקמת נקודת ייחוס למדידה שלנו, שבה האור נשאר בלתי מושפע מהאפקט הסיבובי של כדור הארץ. לאור חוסר היכולת שלנו לעצור את סיבוב כדור הארץ, המצאנו פתרון עוקף: פיצול הסיב האופטי לשני סלילים שווים באורך וחיבורם באמצעות מתג אופטי".
על ידי הפעלה וכיבוי של המתג, החוקרים יכלו למעשה לבטל את אות הסיבוב כרצונם, מה שגם אפשר להם להרחיב את היציבות של המנגנון הגדול שלהם. "בעצם הטעינו את האור לחשוב שהוא נמצא ביקום שאינו מסתובב", אומר סילבסטרי.
אישור מכניקת קוונטים ואינטראקציות תורת היחסות
הניסוי, שנערך כחלק מרשת המחקר TURIS בהנחיית אוניברסיטת וינה והאקדמיה האוסטרית למדעים, צפה בהצלחה בהשפעה של סיבוב כדור הארץ על מצב שני פוטונים שהסתבך בצורה מקסימלית. זה מאשר את האינטראקציה בין מערכות ייחוס מסתובבות לבין הסתבכות קוונטית, כפי שמתואר בתורת היחסות המיוחדת ומכניקת הקוונטים של איינשטיין, עם שיפור של פי אלף בהשוואה לניסויים קודמים.
"זה מייצג אבן דרך משמעותית מאז, מאה שנה לאחר התצפית הראשונה של סיבוב כדור הארץ עם האור, ההסתבכות של כמויות אור בודדות נכנסה סוף סוף לאותם משטרי רגישות", אומר האוקון יו, שעבד על הניסוי הזה בתור מארי-קירי פוסט דוקטורט.
"אני מאמין שהתוצאה והמתודולוגיה שלנו יכניסו את הקרקע לשיפורים נוספים ברגישות הסיבוב של חיישנים מבוססי הסתבכות. זה יכול לפתוח את הדרך לניסויים עתידיים הבודקים את ההתנהגות של הסתבכות קוונטית דרך עקומות המרחב-זמן", מוסיף פיליפ וולתר.
