Ny metode giver mulighed for hurtig, præcis måling af kvantetilstande

Nuklear spin tomografi er en applikation inden for medicin. Patienten absorberer og udsender elektromagnetisk stråling i alle retninger, som detekteres og rekonstrueres som 3-D-billeder eller 2-D-skivebilleder. I et grundlæggende videnskabeligt laboratorium, kvantetilstandstomografi er processen med fuldstændig karakterisering af et objekts kvantetilstand, som det udsendes af dets kilde, før en mulig måling eller interaktion med miljøet finder sted.

Denne teknik er blevet et vigtigt redskab inden for det nye felt af kvanteteknologier. Den teoretiske ramme for kvantetilstandstomografi går tilbage til 1970'erne. Dens eksperimentelle implementeringer udføres i dag rutinemæssigt i en lang række kvantesystemer. Grundprincippet for kvantetilstandstomografi er gentagne gange at udføre målinger fra forskellige rumlige retninger på kvantesystemer for unikt at identificere systemets kvantetilstand. Dette kræver meget beregningsmæssig efterbehandling af de målte data for at udlede den indledende kvantetilstand fra de observerede måleresultater.

Følgelig, i 2011, en novelle, der blev etableret en mere direkte tomografisk metode til at bestemme kvantetilstanden uden behov for efterbehandling. Imidlertid, den nye metode havde en stor ulempe:Den anvender minimalt forstyrrende målinger, såkaldte svage målinger, at bestemme systemets kvantetilstand. Grundtanken bag svage målinger er at få meget lidt information om det observerede system ved at holde forstyrrelsen af ​​måleprocessen ubetydelig. Som regel, at foretage en måling har en enorm indvirkning på et kvantesystem, forårsager kvantefænomener som forvikling eller interferens til uforsvarligt at forsvinde.

Da mængden af ​​information opnået via denne procedure er meget lille, målingerne skal gentages flere gange - en kæmpe ulempe ved denne måleprocedure i praktiske anvendelser. Et forskerhold ved Institute of Atomic and Subatomic Physics i TU Wien under ledelse af Stephan Sponar har formået at kombinere disse to metoder. "Vi var i stand til at videreudvikle den etablerede metode, så behovet for svage målinger bliver forældet. Således, vi var i stand til at integrere sædvanlige, såkaldte stærke målinger, i kvantetilstandens direkte måleprocedure. Følgelig, det er muligt at bestemme kvantetilstanden med højere præcision og nøjagtighed på meget kortere tid sammenlignet med metoden med svage målinger - et enormt fremskridt, ", forklarer Tobias Denkmayr den første forfatter til papiret. Disse resultater er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Neutroninterferometri - den nye metode til valg

En eksperimentel test af den nye ordning i et neutroninterferometrisk eksperiment blev udført af Sponar og hans team. Det er baseret på neutroners bølgetype, som er massive nukleare bestanddele, der udgør næsten to tredjedele af universet. Alligevel, hvis de er isoleret fra atomkernen - f.eks. i fissionsprocessen i en forskningsreaktor - de opfører sig som bølger. Dette fænomen kaldes normalt bølge-partikel dualitet, som forklares inden for kvantemekanikkens rammer. Inde i interferometeret, en indfaldende stråle opdeles i to separate bjælker af en tynd, perfekt silicium krystal plade. Bjælkerne bevæger sig ad forskellige stier i rummet, og på et tidspunkt rekombineres og får lov til at forstyrre. Forsøget blev udført ved neutronkilden på Institut Laue-Langevin (ILL) i Grenoble, hvor gruppen af ​​Institute of Atomic and Subatomic Physics har ansvaret for en permanent stråleport.

Det er vigtigt at bemærke, at resultaterne ikke er begrænset til kvantesystemet dannet af enkelte neutroner, men er, faktisk, helt generelt. Derfor, de kan anvendes på mange andre kvantesystemer såsom fotoner, fangede ioner eller superledende qubits. Resultaterne kan have stor indflydelse på, hvordan estimering af kvantetilstand udføres i fremtiden og kan udnyttes i de hurtigt udviklende teknologier, der anvendes inden for kvanteinformationsvidenskab.