Wees snel, vermijd licht en rol door een bochtige helling:dit is het recept voor een baanbrekend experiment voorgesteld door theoretische natuurkundigen in een recent artikel gepubliceerd in Physical Review Letters . Van een object dat evolueert in een potentieel dat wordt gecreëerd door elektrostatische of magnetische krachten wordt verwacht dat het snel en betrouwbaar een macroscopische kwantumsuperpositietoestand genereert.

De grens tussen de alledaagse realiteit en de kwantumwereld blijft onduidelijk. Hoe massiever een object, hoe lokaler het wordt wanneer het kwantum wordt gemaakt door zijn beweging af te koelen tot het absolute nulpunt.

Onderzoekers, onder leiding van Oriol Romero-Isart van het Instituut voor Quantum Optica en Quantum Informatie (IQOQI) van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen (ÖAW) en de afdeling Theoretische Fysica van de Universiteit van Innsbruck, stellen een experiment voor waarin een optisch zwevend nanodeeltje , afgekoeld tot zijn grondtoestand, evolueert in een niet-optisch ("donker") potentieel gecreëerd door elektrostatische of magnetische krachten. Verwacht wordt dat deze evolutie in het duistere potentieel snel en betrouwbaar een macroscopische kwantumsuperpositietoestand zal genereren.

Laserlicht kan een glazen bol op nanoschaal afkoelen tot zijn bewegende grondtoestand. Alleen gelaten, gebombardeerd door luchtmoleculen en verstrooiend binnenkomend licht, warmen dergelijke glazen bollen snel op en verlaten ze het kwantumregime, waardoor de kwantumcontrole wordt beperkt. Om dit te voorkomen stellen de onderzoekers voor om de bol in het donker te laten evolueren, met het licht uitgeschakeld, uitsluitend geleid door niet-uniforme elektrostatische of magnetische krachten. Deze evolutie is niet alleen snel genoeg om opwarming door verdwaalde gasmoleculen te voorkomen, maar heft ook de extreme lokalisatie op en drukt ondubbelzinnig kwantumkenmerken in.

Het recente artikel in Physical Review Letters bespreekt ook hoe dit voorstel de praktische uitdagingen van dit soort experimenten omzeilt. Deze uitdagingen omvatten de behoefte aan snelle experimentele runs, minimaal gebruik van laserlicht om decoherentie te voorkomen, en de mogelijkheid om experimentele runs snel met hetzelfde deeltje te herhalen. Deze overwegingen zijn van cruciaal belang bij het beperken van de impact van laagfrequente ruis en andere systematische fouten.

Dit voorstel is uitgebreid besproken met experimentele partners in Q-Xtreme, een ERC Synergy Grant-project. "De voorgestelde methode is afgestemd op de huidige ontwikkelingen in hun laboratoria en ze zouden ons protocol binnenkort moeten kunnen testen met thermische deeltjes in het klassieke regime, wat zeer nuttig zal zijn om bronnen van ruis te meten en te minimaliseren wanneer de lasers uitgeschakeld zijn", zegt de theorieteam van Oriol Romero-Isart.

"Wij zijn van mening dat, hoewel het ultieme kwantumexperiment onvermijdelijk uitdagend zal zijn, het haalbaar moet zijn omdat het voldoet aan alle noodzakelijke criteria voor het voorbereiden van deze macroscopische kwantumsuperpositietoestanden."

Meer informatie: M. Roda-Llordes et al, Macroscopische kwantumsuperposities via dynamiek in een breed potentieel voor dubbele putten, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.023601

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door de Universiteit van Innsbruck