I et kvanteløb er alle både vindere og tabere

Vores forståelse af verden er for det meste bygget på grundlæggende opfattelser, såsom at begivenheder følger hinanden i en veldefineret rækkefølge. Sådanne bestemte ordrer er nødvendige i den makroskopiske verden, som den klassiske fysiks love gælder for. Det nuværende arbejde udført af et hold fysikere fra universitetet i Wien er den første eksperimentelle kvantificering af en sådan superposition. Det vil blive offentliggjort i et kommende nummer af Videnskabens fremskridt .

Når man beskriver naturen ved hjælp af fysiske love, videnskabsmænd tager ofte udgangspunkt i hverdagens oplevelser. Imidlertid, vores sædvanlige intuition gælder ikke for kvanteverdenen. Fysikere har for nylig indset, at kvanteteori endda tvinger os til at stille spørgsmålstegn ved medfødte begreber, såsom rækkefølgen, hvori tingene sker. Forestille, for eksempel, et kapløb mellem to venner, Alice og Bob. I hverdagen, vinderen er den første, der krydser målstregen. Dermed, sund fornuft siger, at enten vinder Alice, Bob vinder, eller de binder. Denne begrundelse, imidlertid, er ikke altid anvendelig i kvanteverdenen. Faktisk, Kvantemekanikken gør det muligt for hver løber at vinde og tabe i ét løb:Alice kunne nå målstregen både før og efter Bob i kvantesuperposition. Imidlertid, selvom vi holdt sådan et kvanteløb, hvordan kunne vi verificere, at begge racere vandt i superposition? En del af problemet er, at kvantemekanikken siger, når vi observerer racen, at den "kollapser". Det betyder, at vi kun ser enten Alice vinde eller tabe løbet:vi kan ikke se superpositionen.

Vidne til forvrængede ordrer om operationer

En gruppe fysikere ledet af Philip Walther ved universitetet i Wien har implementeret en ny måling, kaldet et "årsagsvidne", hvilket giver dem mulighed for at se Alice vinde og tabe på samme tid. Denne spændende måleteknik er designet af Caslav Brukners teorigruppe ved det østrigske videnskabsakademi. Formelt, et årsagsvidne er et matematisk værktøj til at afgøre, om det er muligt at beskrive et eksperiment uden at skulle ty til overlejrede ordrer. Ved at bruge dette nye værktøj, fysikerne kunne mere end blot at se Alice vinde og tabe i superposition:de var i stand til at kvantificere i hvilken grad de to situationer faktisk blev overlejret.

I stedet for at holde et mikroskopisk kvanteløb, forskerne overlejrede rækkefølgen, hvori to kvanteoperationer virkede på lyspartikler. I deres eksperiment, fysikerne placerede fotoner - lyspartikler - i en superposition af to forskellige baner. Hver sti blev derefter dirigeret i forskellige rækkefølger gennem to forskellige kvanteoperationer. Selvom holdet tidligere havde skabt en sådan superposition af ordrer af kvanteoperationer, de kunne tidligere kun verificere superpositionen indirekte.

For at implementere årsagsvidnet, fysikerne havde brug for at udtænke et skema, der gjorde det muligt for dem at udtrække information fra indersiden af ​​en meget skrøbelig kvanteproces uden at ødelægge den. For at gøre det, de brugte et andet kvantesystem til i det væsentlige at rejse et flag, når fotonen passerede en af ​​kvanteoperationerne. Selvom dette stadig kunne have kollapset systemet, fysikerne fandt et nyt trick til at måle det ekstra kvantesystem og samtidig holde superpositionen intakt. Deres nye teknik tillod dem kun at udtrække information om den overordnede superposition, og ikke om rækkefølgen af ​​operationer. Fra disse måleresultater bekræftede de, at fotonerne virkelig havde passeret gennem begge kvanteoperationer i to rækkefølger på samme tid.

Fremtidige implikationer

Det faktum, at rækkefølgen af ​​kvanteoperationer kan sættes i kvantesuperposition, åbner en ny legeplads for studier i kvantemekanik. På den teoretiske side, dette er allerede indikeret af et stort antal undersøgelser og forslag om "årsagssammenhængenes" rolle inden for kvantemekanikken. Imidlertid, at omsætte disse forslag til laboratorieforsøg er udfordrende. "Vores eksperimentelle demonstration er et meningsfuldt skridt fremad på dette område, da det demonstrerer, hvordan man uddrager information i disse processer uden at forstyrre deres kvantenatur", siger Giulia Rubino, hovedforfatter af undersøgelsen.

Gruppens næste mål er at udnytte nye teknologiske fremskridt til at skabe superpositioner af mere komplekse processer. Dette vil give dem mulighed for at få dybere indsigt i samspillet mellem årsagssammenhænge og kvantemekanik. Desuden, det præsenterer en interessant ny rute til at optimere opgaver selv ud over, hvad der er muligt ved brug af standard kvantecomputere med en fast rækkefølge af operationer.