Ett team av forskare vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet, har lyckats trassla in två väldigt olika kvantobjekt. Resultatet har flera potentiella tillämpningar inom ultraprecis avkänning och kvantkommunikation och publiceras nu i Naturfysik .

Entanglement är grunden för kvantkommunikation och kvantavkänning. Det kan förstås som en kvantlänk mellan två objekt som gör att de beter sig som ett enda kvantobjekt.

Forskare har lyckats skapa en intrassling mellan en mekanisk oscillator - ett vibrerande dielektriskt membran - och ett moln av atomer, var och en fungerar som en liten magnet, eller vad fysiker kallar "snurr". Dessa mycket olika entiteter var möjliga att trassla in genom att koppla dem med fotoner, ljuspartiklar. Atomer kan vara användbara vid bearbetning av kvantinformation och membranet - eller mekaniska kvantsystem i allmänhet - kan vara användbart för lagring av kvantinformation.

Professor Eugene Polzik, som ledde ansträngningen, säger att:"Med denna nya teknik, vi är på väg att tänja på gränserna för förvecklingsmöjligheter. Ju större föremål, ju längre ifrån varandra de är, ju mer olika de är, desto mer intressant förveckling blir ur både grundläggande och tillämpade perspektiv. Med det nya resultatet, intrassling mellan mycket olika föremål har blivit möjlig."

För att förstå förveckling, att hålla sig till exemplet med snurrar intrasslade med ett mekaniskt membran, föreställ dig läget för det vibrerande membranet och lutningen av det totala snurrandet av alla atomer, liknar en snurra. Om båda objekten rör sig slumpmässigt, men om det observeras röra sig åt höger eller vänster samtidigt, det kallas en korrelation. Sådan korrelerad rörelse är normalt begränsad till den så kallade nollpunktsrörelsen - den resterande, okorrelerad rörelse av all materia som sker även vid absolut nolltemperatur. Detta begränsar kunskapen om något av systemen.

I deras experiment, Eugene Polziks team trasslade in systemen, vilket innebär att de rör sig på ett korrelerat sätt med en precision bättre än nollpunktsrörelsen. "Kvantmekaniken är som ett tveeggat svärd - det ger oss underbar ny teknik, men begränsar också precisionen av mätningar som skulle tyckas vara lätt ur en klassisk synvinkel, säger en gruppmedlem, Michał Parniak. Intrasslade system kan förbli perfekt korrelerade även om de är på avstånd från varandra - en egenskap som har förbryllat forskare från själva födelsen av kvantmekaniken för mer än 100 år sedan.

Ph.D. student Christoffer Østfeldt förklarar vidare:"Föreställ dig de olika sätten att förverkliga kvanttillstånd som ett slags zoo av olika verkligheter eller situationer med mycket olika kvaliteter och potentialer. Om, till exempel, vi vill bygga en enhet av något slag, för att utnyttja de olika egenskaper de alla besitter och där de utför olika funktioner och löser en annan uppgift, det kommer att bli nödvändigt att uppfinna ett språk som de alla kan tala. Kvanttillstånden måste kunna kommunicera, för att vi ska kunna använda enhetens fulla potential. Det är vad denna förveckling mellan två element i djurparken har visat att vi nu är kapabla till."

Ett specifikt exempel på perspektiv på att trassla in olika kvantobjekt är kvantavkänning. Olika föremål har känslighet för olika yttre krafter. Till exempel, mekaniska oscillatorer används som accelerometrar och kraftsensorer, medan atomspinn används i magnetometrar. När endast ett av de två olika intrasslade föremålen är föremål för yttre störning, intrassling gör att den kan mätas med en känslighet som inte begränsas av objektets nollpunktsfluktuationer.

Det finns en ganska omedelbar möjlighet att tillämpa tekniken vid avkänning både för små och stora oscillatorer. En av de största vetenskapliga nyheterna de senaste åren var den första upptäckten av gravitationsvågor, gjord av Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO). LIGO känner av och mäter extremt svaga vågor orsakade av astronomiska händelser i rymden, såsom sammanslagningar av svarta hål eller sammanslagningar av neutronstjärnor. Vågorna kan observeras eftersom de skakar speglarna på interferometern. Men även LIGO:s känslighet begränsas av kvantmekaniken eftersom speglarna på laserinterferometern också skakas av nollpunktsfluktuationerna. Dessa fluktuationer leder till brus som förhindrar observation av speglarnas små rörelser orsakade av gravitationsvågor.

Det är, i princip, möjligt att generera intrassling av LIGO-speglarna med ett atommoln och därmed avbryta speglarnas nollpunktsbrus på samma sätt som det gör för membranbruset i föreliggande experiment. Den perfekta korrelationen mellan speglarna och atomsnurrarna på grund av deras intrassling kan användas i sådana sensorer för att praktiskt taget radera osäkerhet. Det kräver helt enkelt att man tar information från ett system och tillämpar kunskapen på det andra. På sådant sätt, man kan lära sig både om positionen och farten för LIGOs speglar samtidigt, gå in i ett så kallat kvantmekanikfritt delrum och ta ett steg mot gränslös precision av rörelsemätningar. Ett modellexperiment som visar denna princip är på väg vid Eugene Polziks laboratorium.