Naukowcy postanowili bowiem sprawdzić wpływ obrotu Ziemi na zachowanie fotonów, które uprzednio zostały ze sobą splątane. Wyniki eksperymentu opublikowano właśnie w periodyku Science Advances. Wbrew pozorom jest to ogromne osiągnięcie, bowiem w pewnym stopniu przybliża nas do momentu, w którym naukowcom uda się połączyć opracowaną przez Alberta Einsteina ogólną teorię względności opisującą świat makroskopowy, w którym dominuje grawitacja z mechaniką kwantową opisującą działanie świata w najmniejszej skali. O ile w swojej domenie każda z tych teorii sprawdza się wiarygodnie dobrze, to od wielu dekad nikomu nie udało się tych dwóch teorii ze sobą połąćzyć w jedną teorię wszystkiego.
Od początku XX wieku naukowcy wykorzystują do pomiaru rotacji interferometry optyczne. Są to aktualnie najbardziej precyzyjne instrumenty do pomiaru prędkości obrotowej, przynajmniej w ramach fizyki klasycznej. Sytuacja jednak może się właśnie zmieniać. Naukowcy z Wiednia są przekonani bowiem, że interferometry wykorzystujące splątanie kwantowe mogą te granice fizyki klasycznej przekroczyć, wkraczając do świata kwantowego.
Czytaj także: Splątanie kwantowe na wyciągnięcie ręki. Zaprojektowane urządzenie jest niewyobrażalnie cienkie
Badacze z Uniwersytetu Wiedeńskiego zbudowali gigantyczny interferometr światłowodowy, a następnie po uruchomieniu doprowadzili do stanu, w którym poziom szumu osiągnął niski i stabilny poziom. Tak pracujący przez kilka godzin instrument dał naukowcom czas na wykrycie splątanych par fotonów. Wykorzystanie tychże do pomiaru pozwoliło zwiększyć precyzję pomiaru rotacji Ziemi o trzy rzędy wielkości w stosunku do klasycznych interferometrów optycznych.
Co do zasady w interferometrze dwa fotony poruszające się w przeciwnych kierunkach po zamkniętej pętli docierają do punktu początkowego w nieznacznie różnym czasie. Jednak dopiero, gdy te cząstki są ze sobą kwantowo splątane, robi się ciekawie. W takiej sytuacji zachowują się one bowiem jak jedna cząstka, która testuje oba kierunki jednocześnie. W ten sposób w trakcie swojej podróży gromadzi ona dwa razy większe opóźnienie, niż gdyby obie cząstki nie były ze sobą splątane.
Mówimy tutaj o naprawdę imponującym instrumencie. Oba splątane ze sobą fotony w trakcie eksperymentu pokonywały długi na dwa kilometry światłowód nawinięty na sporych rozmiarów cewkę. W ten sposób naukowcy byli w stanie stworzyć interferometr o powierzchni 700 metrów kwadratowych.
Jak wskazują autorzy opracowania, stworzenie odpowiedniego instrumentu było jedynie częścią wyzwania. W następnym kroku było wyizolowanie z pomiaru faktycznego sygnału pochodzącego od rotacji Ziemi. Nie było to proste z jednego powodu: Ziemi nie da się zatrzymać, aby ustalić układ odniesienia, który byłby niezależny od rotacji naszej planety wokół własnej osi.
Aby pokonać tę przeszkodę, wiązkę światłowodu podzielono na dwie różne części, a następnie połączono je za pomocą optycznego przełącznika. To niepozorne urządzenie podczas przełączenia usuwało sygnał rotacji.
Za pomocą tak przygotowanego interferometru kwantowego naukowcy byli w stanie zbadać wpływ rotacji Ziemi na parę splątanych ze sobą kwantowo fotonów. A więc jednak! Naukowcy otrzymali w ten sposób potwierdzenie wcześniejszych przypuszczeń. Obracające się układy odniesienia, np. na powierzchni rotującej Ziemi, wpływają na cząstki splątane ze sobą kwantowo, dokładnie tak jak to opisał Albert Einstein w szczególnej teorii względności, a jednocześnie tak, jak to opisuje mechanika kwantowa. Dwie najważniejsze teorie opisujące otaczający nas wszechświat jeszcze nigdy nie znajdowały się tak blisko siebie.
Czytaj także: Splątanie kwantowe w zasięgu ręki. Naukowcy zaobserwowali coś, co do tej pory pozostawało jedynie teorią
Naukowcy jednak nie spoczywają na laurach, a już teraz pracują nad dalszą poprawą precyzji pomiarów wykonywanych za pomocą czujników analizujących zachowanie splątanych fotonów. Możliwe, że wkrótce posłużą one do badania zachowania splątanych cząstek także w innych rejonach bezustannie zakrzywianej czasoprzestrzeni.
Warto tutaj tylko dodać, że pomiary rotacji Ziemi wykonane za pomocą interferometru, w którym światłowodem poruszały się splątane ze sobą fotony, potwierdziły precyzyjnie dobrze już znane tempo rotacji naszej planety.