En särskilt kontraintuitiv egenskap hos kvantmekaniken är att en enskild händelse kan existera i ett tillstånd av superposition – som händer både här och där, eller både idag och imorgon.

Sådana superpositioner är svåra att skapa, eftersom de förstörs om någon form av information om plats och tid för händelsen läcker ut i omgivningen – och även om ingen faktiskt registrerar denna information. Men när superpositioner inträffar, de leder till observationer som skiljer sig mycket från den klassiska fysiken, väcker frågor som spiller över i själva vår förståelse av rum och tid.

Forskare från EPFL, MIT, och CEA Saclay, publicerar i Vetenskapens framsteg , visa ett vibrationstillstånd som existerar samtidigt vid två olika tidpunkter, och ge bevis på denna kvantöverlagring genom att mäta den starkaste klassen av kvantkorrelationer mellan ljusstrålar som interagerar med vibrationen.

Forskarna använde en mycket kort laserpuls för att utlösa ett specifikt vibrationsmönster inuti en diamantkristall. Varje par av närliggande atomer svängde som två massor sammanlänkade av en fjäder, och denna oscillation var synkron över hela det upplysta området. För att spara energi under denna process, ett ljus av en ny färg sänds ut, skiftat mot det röda i spektrumet.

Denna klassiska bild, dock, är oförenligt med experimenten. Istället, både ljus och vibrationer ska beskrivas som partiklar, eller kvanta:ljusenergi kvantiseras till diskreta fotoner medan vibrationsenergi kvantiseras till diskreta fononer (uppkallad efter det antika grekiska 'foto =ljus' och 'phono =ljud').

Processen som beskrivs ovan bör därför ses som klyvningen av en inkommande foton från lasern till ett par foton och fonon - besläktad med kärnklyvning av en atom i två mindre delar.

Men det är inte den enda bristen i klassisk fysik. Inom kvantmekaniken, partiklar kan existera i ett superpositionstillstånd, som att den berömda Schrödingerkatten är levande och död på samma gång.

Ännu mer kontraintuitivt:två partiklar kan trassla in sig, förlora sin individualitet. Den enda information som kan samlas in om dem gäller deras gemensamma samband. Eftersom båda partiklarna beskrivs av ett gemensamt tillstånd (vågfunktionen), dessa korrelationer är starkare än vad som är möjligt i klassisk fysik. Det kan påvisas genom att utföra lämpliga mätningar på de två partiklarna. Om resultaten bryter mot en klassisk gräns, man kan vara säker på att de var intrasslade.

I den nya studien, EPFL-forskare lyckades trassla in fotonen och fononen (dvs. ljus och vibration) som produceras i klyvningen av en inkommande laserfoton inuti kristallen. Att göra så, forskarna designade ett experiment där foton-fonon-paret kunde skapas vid två olika ögonblick. Klassiskt, det skulle resultera i en situation där paret skapas vid tidpunkten t1 med 50 % sannolikhet, eller vid en senare tidpunkt t2 med 50 % sannolikhet.

Men här kommer "tricket" som forskarna spelar för att skapa ett intrasslat tillstånd. Genom ett exakt arrangemang av experimentet, de såg till att inte ens det minsta spåret av ljus-vibrationsparets skapelsetid (t1 vs. t2) fanns kvar i universum. Med andra ord, de raderade information om t1 och t2. Kvantmekaniken förutspår då att fonon-fotonparet blir intrasslat, och existerar i en överlagring av tiden t1 och t2. Denna förutsägelse bekräftades vackert av mätningarna, vilket gav resultat som var oförenliga med den klassiska sannolikhetsteorin.

Genom att visa intrassling mellan ljus och vibration i en kristall som man kunde hålla i fingret under experimentet, den nya studien skapar en bro mellan vår dagliga erfarenhet och kvantmekanikens fascinerande värld.

"Kvantteknik utropas som nästa tekniska revolution inom datoranvändning, kommunikation, avkänning, säger Christophe Galland, chef för Laboratory for Quantum and Nano-Optics vid EPFL och en av studiens huvudförfattare. "De utvecklas för närvarande av toppuniversitet och stora företag över hela världen, men utmaningen är skrämmande. Sådan teknik är beroende av mycket ömtåliga kvanteffekter som bara överlever vid extremt kalla temperaturer eller under högt vakuum. Vår studie visar att även ett vanligt material vid omgivningsförhållanden kan upprätthålla de känsliga kvantegenskaper som krävs för kvantteknologier. Det finns ett pris att betala, dock:kvantkorrelationerna som upprätthålls av atomvibrationer i kristallen går förlorade efter bara 4 pikosekunder – dvs. 0,000000000004 av en sekund! Denna korta tidsskala är, dock, också en möjlighet att utveckla ultrasnabba kvantteknologier. Men mycket forskning ligger framför oss för att omvandla vårt experiment till en användbar enhet – ett jobb för framtida kvantingenjörer."