Квантовые запутанные фотоны используются для измерения вращения Земли

В результате замечательного научного исследования группе исследователей удалось измерить влияние вращения Земли на квантово запутанные фотоны.

Этот новаторский эксперимент, проведенный группой под руководством Филиппа Вальтера V. Венский университетрасширяет границы чувствительности датчиков на основе запутывания.

Эти блестящие ученые приблизили мир на один шаг к удивительному пересечению квантовой механики и общей теории относительности.

Их исследование представляет собой важную веху в нашем понимании сложных взаимосвязей между вращающимися системами отсчета и квантовой запутанностью.

Смысл Саньяка в оптических интерферометрах

Используя гигантский оптоволоконный интерферометр Саньяка и поддерживая низкий и стабильный уровень шума в течение нескольких часов, команда добилась тысячекратного улучшения спинового разрешения по сравнению с предыдущими квантово-оптическими интерферометрами Саньяка.

Оптические интерферометры Саньяка уже давно признаны наиболее чувствительными приборами для измерения циклов.

Эти инструменты сыграли решающую роль в формировании нашего понимания фундаментальной физики с начала прошлого века, способствуя созданию специальной теории относительности Эйнштейна.

Сегодня его непревзойденная точность делает его идеальным инструментом для измерения скорости вращения, которая ограничена только пределами классической физики.

Однако интерферометры, использующие квантовую запутанность для измерения вращения Земли, могут преодолеть эти ограничения.

Когда две или более частицы запутаны, известно только агрегатное состояние, тогда как состояние отдельной частицы остается неопределенным до момента измерения.

Это уникальное свойство можно использовать для получения большего количества информации за одно измерение, чем можно было бы получить без чересстрочной развертки.

Преодоление чувствительной природы запутанности

Несмотря на огромный потенциал датчиков, основанных на запутывании, их практическое внедрение затруднено из-за очень чувствительной природы запутывания.

Здесь венский опыт достиг большого прогресса.

Исследователи построили массивный оптоволоконный интерферометр Саньяка, в котором два запутанных фотона распространяются внутри двухкилометрового оптического волокна, намотанного на огромную катушку.

На этой установке был получен интерферометр с эффективной площадью более 700 м2.

Поддерживая уровень шума на низком и стабильном уровне в течение нескольких часов, команда смогла обнаружить достаточно высококачественных пар запутанных фотонов, чтобы превзойти спиновое разрешение предыдущих квантово-оптических интерферометров Саньяка в тысячу раз.

Иллюзии света во вращающейся Вселенной

Одной из основных задач, с которыми столкнулись исследователи, было выделение и извлечение сигнала фиксированного вращения Земли.

«Суть вопроса заключается в том, чтобы создать точку отсчета для наших измерений, где на свет не будет влиять влияние вращения Земли», — объясняет ведущий автор Рафаэль Сильвестри.

«Поскольку мы не можем остановить вращение Земли, мы разработали альтернативное решение: разделить оптическое волокно на две катушки одинаковой длины и соединить их через оптический переключатель».

Включая и выключая переключатель, исследователи смогли эффективно отменить сигнал вращения по своему желанию, что позволило им повысить стабильность своего более крупного устройства.

«По сути, мы обманули свет, заставив его думать, что он существует в невращающейся Вселенной», — заключил Сильвестри.

Квантовые фотоны и вращение Земли

В интерферометре Саньяка две частицы движутся в противоположных направлениях по вращающейся замкнутой траектории и достигают начальной точки в разное время.

Однако когда задействованы две запутанные частицы, происходит нечто необычное: они ведут себя как одна частица, движущаяся в обоих направлениях одновременно, накапливая при этом вдвое большую задержку по сравнению со сценарием, где запутанности нет.

Это уникальное свойство известно как сверхточность.

Эксперимент, проведенный в рамках исследовательской сети TURIS на базе Венского университета. Австрийская академия наукЕму в наибольшей степени удалось наблюдать влияние вращения Земли на запутанное состояние фотона.

Это подтверждение взаимодействия между вращающимися системами отсчета и квантовой запутанностью, объясненное в специальной теории относительности и квантовой механике Эйнштейна, представляет собой тысячекратное улучшение точности по сравнению с предыдущими экспериментами.

«Это представляет собой значительное событие за столетие с момента первого наблюдения вращения Земли со светом, когда запутанность отдельных квантов света наконец попала в одни и те же сенсорные системы», — говорит Хаокун Ю, который работал над экспериментом в качестве исследователя в Мари Университет Кюри. Постдокторант.

Исследование кривых пространства-времени

Успешная демонстрация этой методологии открывает захватывающие возможности для будущих исследований.

Филипп Вальтер, ведущий исследователь, считает, что их результаты и методология откроют путь для дальнейшего улучшения чувствительности к вращению датчиков, основанных на запутывании.

«Это может открыть путь для будущих экспериментов, которые проверят поведение квантовой запутанности на кривых пространства-времени», — добавляет он.

Вращение Земли объединяет Эйнштейна с квантовым миром

Этот замечательный эксперимент представляет собой важную веху в нашем понимании сложной взаимосвязи между квантовой запутанностью и эффектами вращения Земли.

Успешно измеряя влияние вращения нашей планеты на запутанные фотоны с беспрецедентной точностью, это исследование подтверждает предсказания специальной теории относительности и квантовой механики Эйнштейна, одновременно открывая дверь в новую эру исследований на захватывающем пересечении этих двух фундаментальных областей.

Поскольку ученые продолжают расширять границы датчиков, основанных на запутывании, мы стоим на пороге разгадки тайн пространства-времени и более глубокого понимания фундаментального устройства Вселенной.

Полная версия исследования опубликована в журнале Развитие науки.

—–

Понравилось то, что я прочитал? Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать интересные статьи, эксклюзивный контент и последние обновления.

Посетите нас в EarthSnap, бесплатном приложении, созданном Эриком Раллсом и Earth.com.

—–