Einsteins "spöklika effekt" blir massiv!

1935 observerade Einstein att kvantmekanik och sedan den nyligen utvecklade fundamentala naturteorin innebär att en ”spöklik effekt på avstånd” existerar. Det skulle snart bli känt som ”sammanflätning”. Det tillåter objekt att påverka varandra över slumpmässiga avstånd utan ett direkt samspel. Fenomenet motstår både klassisk fysik och vårt sunda förnuft.

Nuförtiden anses sammanflätning vara en grundpelare i kvantmekanik och har tidigare rättfärdigats i experiment med mikroskopiska system såsom ljus och atomer. Sammanflätning är nyckelresursen för flera olika potentiellt transformativa kvanttekniker, såsom kvantdatorn och informationsöverföring, under de kommande årtiondena.

Kvantsammanflätning är dock extremt skört och försvinner om de sammanflätade partiklarna samspelar med sin omgivning, exempelvis genom termiska störningar. Det ansågs länge som vansinnigt att sammanflätning kunde uppstå mellan objekt större än atomer eller molekyler.

Motsatsen har nu bevisats av en grupp som leds av professor Mika Sillanpää vid Aalto-universitetets institution för teknisk fysik. Deras resultat har publicerats i Nature, världens mest ansedda vetenskapliga journal.

I sina laborationsmätningar lyckades forskarna framkalla ett sammanflätat kvanttillstånd i två skilda och rörliga objekt, nästintill osynliga för blotta ögat, där de känner varandra genom den ”spöklika effekt” som gjorde Einstein så omtalat obekväm. Objekten i experimentet var två vibrerande trumskinn som tillverkats av metallisk aluminium på ett kiselchip. Trumskinnen är väldigt stora och makroskopiska i jämförelse med den atomiska skalan – diametern liknar vidden av ett människohår.

”De vibrerande kropparna tvingas samspela via en supraledande mikrovågskrets. De elektromagnetiska fälten i kretsen för bort termiska störningar och lämnar efter sig endast de kvantmekaniska vibrationerna,” säger professor Sillanpää i beskrivningen av det experimentella upplägget.

Det är avgörande att eliminera alla former av externt brus i experimenten, vilket är anledningen till att de måste utföras vid extremt låga temperaturer i närheten av den absoluta nollpunkten –273 °C. Det är anmärkningsvärt att det experimentella tillvägagångssättet tillåter det ovanliga tillståndet sammanflätning att bestå under längre perioder – i detta fallet upp till en halvtimme. Jämförelsevis har mätningar av elementära partiklar uppvisat sammanflätning som endast varar en bråkdel av en sekund.

”Mätningarna är utmanande men väldigt fascinerande. Vi kommer att försöka teleportera de mekaniska vibrationerna i framtiden. Inom kvantteleportering kan egenskaperna för de fysiska kropparna överföras över slumpmässiga avstånd med förbindelsen 'spöklik effekt på avstånd.' Vi är fortfarande rätt långt från Star Trek dock,” säger doktor Caspar Ockeloen-Korppi, huvudförfattare för arbetet och som även utförde mätningarna.

Resultatet demonstrerar att det nu är möjligt att ha kontroll över de mest ömtåliga egenskaperna av objekt vars storlek närmar sig skalan för våra dagliga liv. Prestationen öppnar dörrar för nya typer av kvanttekniker där de sammanflätade trumskinnen kan användas som routers eller sensorer. Fynden möjliggör även nya studier av fundamental fysik, exempelvis den svaga förståelsen för samverkan mellan tyngdkraft och kvantmekanik.

Gruppen innefattade även forskare från University of New South Wales i Australien, University of Chicago i USA och Jyväskylä universitet i Finland, vars teoretiska innovationer banade vägen för laboratorieexperimentet.

Den experimentella forskningen utfördes vid nationella forskningsinfrastrukturen för mikro- och nanotekniker i Finland, OtaNano, och finansierades av Europeiska forskningsrådet och EU:s forsknings- och innovationsprogram Horisont 2020, samt Finlands Akademi.

Forskningsartikel: C. F. Ockeloen-Korppi, E. Damskagg, J.-M. Pirkkalainen, A. A. Clerk, F. Massel, M. J. Woolley, M. A. Sillanpaa: ”Stabilized entanglement of massive mechanical oscillators”. Nature 556, 7702 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0038-x

Kontaktuppgifter:

Mika Sillanpää, professor
Aalto-universitetet, institutionen för teknisk fysik
[email protected]
tel. +358 50 344 7330 (GMT +3)