Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Philip Walther στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης πραγματοποίησε ένα πρωτοποριακό πείραμα όπου μέτρησε την επίδραση της περιστροφής της Γης στα κβαντικά διεμπλεκόμενα φωτόνια. Η εργασία αυτή αποτελεί ένα σημαντικό επίτευγμα που διευρύνει τα όρια της ευαισθησίας στην περιστροφή σε αισθητήρες που βασίζονται στην περιπλοκή, θέτοντας ενδεχομένως τις βάσεις για περαιτέρω εξερεύνηση στο σημείο τομής μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας.
Τα οπτικά συμβολόμετρα Sagnac είναι οι πιο ευαίσθητες συσκευές στις περιστροφές. Από τα πρώτα χρόνια του περασμένου αιώνα έχουν διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην κατανόηση της θεμελιώδους φυσικής, συμβάλλοντας στην εδραίωση της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Σήμερα, η απαράμιλλη ακρίβειά τους τα καθιστά το απόλυτο εργαλείο για τη μέτρηση των ταχυτήτων περιστροφής, που περιορίζεται μόνο από τα όρια της κλασικής φυσικής.
Τα συμβολόμετρα που χρησιμοποιούν κβαντική διεμπλοκή έχουν τη δυνατότητα να σπάσουν αυτά τα όρια. Εάν δύο ή περισσότερα σωματίδια είναι περιπλεγμένα, μόνο η συνολική κατάσταση είναι γνωστή, ενώ η κατάσταση του μεμονωμένου σωματιδίου παραμένει απροσδιόριστη μέχρι τη μέτρηση. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απόκτηση περισσότερων πληροφοριών ανά μέτρηση από ό,τι θα ήταν δυνατό χωρίς αυτό. Ωστόσο, το υποσχόμενο κβαντικό άλμα στην ευαισθησία εμποδίζεται από την εξαιρετικά ευαίσθητη φύση της διεμπλοκής. Εδώ είναι που το πείραμα της Βιέννης έκανε τη διαφορά.
Οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα γιγαντιαίο συμβολόμετρο Sagnac από οπτικές ίνες και διατήρησαν τον θόρυβο σε χαμηλά και σταθερά επίπεδα για αρκετές ώρες. Αυτό επέτρεψε την ανίχνευση αρκετών υψηλής ποιότητας περιπλεγμένων ζευγών φωτονίων, ώστε να ξεπεράσουν την ακρίβεια περιστροφής των προηγούμενων κβαντικών οπτικών συμβολομέτρων Sagnac κατά χίλιες φορές.
Σε ένα συμβολόμετρο Sagnac, δύο σωματίδια που ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις μιας περιστρεφόμενης κλειστής διαδρομής φθάνουν στο σημείο εκκίνησης σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Με δύο διεμπλεκόμενα σωματίδια, η κατάσταση γίνεται τρομακτική: συμπεριφέρονται σαν ένα μόνο σωματίδιο που δοκιμάζει και τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα, ενώ συσσωρεύουν διπλάσια χρονική καθυστέρηση σε σύγκριση με το σενάριο όπου δεν υπάρχει διεμπλοκή.
Αυτή η μοναδική ιδιότητα είναι γνωστή ως υπερ-ανάλυση. Στο πραγματικό πείραμα, δύο περιπλεγμένα φωτόνια διαδίδονταν μέσα σε μια οπτική ίνα μήκους 2 χιλιομέτρων, η οποία ήταν τυλιγμένη σε ένα τεράστιο πηνίο, υλοποιώντας ένα συμβολόμετρο με πραγματική επιφάνεια μεγαλύτερη από 700 τετραγωνικά μέτρα.
Ένα σημαντικό εμπόδιο που αντιμετώπισαν οι ερευνητές ήταν η απομόνωση και η εξαγωγή του σταθερού σήματος περιστροφής της Γης. «Ο πυρήνας του θέματος έγκειται στον καθορισμό ενός σημείου αναφοράς για τη μέτρησή μας, όπου το φως παραμένει ανεπηρέαστο από το φαινόμενο της περιστροφής της Γης. Δεδομένης της αδυναμίας μας να σταματήσουμε τη Γη από την περιστροφή της, επινοήσαμε μια λύση: χωρίσαμε την οπτική ίνα σε δύο πηνία ίσου μήκους και τα συνδέσαμε μέσω ενός οπτικού διακόπτη», εξηγεί ο επικεφαλής συγγραφέας Raffaele Silvestri.
Ανοίγοντας και κλείνοντας τον διακόπτη, οι ερευνητές μπορούσαν να ακυρώσουν το σήμα περιστροφής κατά βούληση, γεγονός που τους επέτρεψε επίσης να επεκτείνουν τη σταθερότητα της μεγάλης συσκευής τους. «Ουσιαστικά ξεγελάσαμε το φως ώστε να νομίζει ότι βρίσκεται σε ένα μη περιστρεφόμενο σύμπαν», λέει ο Silvestri.
Το πείραμα, το οποίο διεξήχθη στο πλαίσιο του ερευνητικού δικτύου TURIS που φιλοξενείται από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης και την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών, παρατήρησε με επιτυχία την επίδραση της περιστροφής της Γης σε μια κατάσταση δύο φωτονίων με μέγιστη διεμπλοκή. Αυτό επιβεβαιώνει την αλληλεπίδραση μεταξύ των περιστρεφόμενων συστημάτων αναφοράς και της κβαντικής διεμπλοκής, όπως περιγράφεται στην ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν και στην κβαντομηχανική, με χιλιαπλάσια βελτίωση της ακρίβειας σε σύγκριση με προηγούμενα πειράματα.
