Lindre usikkerhed

Heisenbergs usikkerhedsprincip, den fundamentale umulighed af samtidig at måle egenskaber som position og momentum, er kernen i kvanteteorien. Fysikere ved ETH Zürich har nu demonstreret en elegant måde at slappe af på denne iboende uforenelighed ved hjælp af en mekanisk oscillator dannet af en enkelt fanget ion, åbner en vej for både grundlæggende studier og praktiske anvendelser.

Heisenbergs usikkerhedsprincip hævder, at der er en grundlæggende grænse for den præcision, hvormed såkaldte komplementære variabler, såsom position og momentum, kan måles. Det er, jo mere nøjagtigt hastigheden og retningen (og dermed momentum) af en kvantepartikel er kendt, jo mindre sikre kan vi være på dens holdning. Bemærkelsesværdigt, denne iboende begrænsning kan lempes, når målinger uddrager periodiske funktioner af position og momentum med en karakteristisk længde- og momentumskala, henholdsvis. Kort fortalt, usikkerheden i begge variable kan spredes bredt, kamlignende strukturer, hvor hver tand stadig er relativt skarp, dermed muliggøre præcise målinger i et begrænset område.

Christa Fluehmann og kolleger i gruppen af ​​Jonathan Home i Institut for Fysik ved ETH Zürich har nu udforsket brugen af ​​sådanne modulære positions- og momentummålinger til at studere den dynamiske opførsel af en mekanisk oscillator bestående af en enkelt fanget ion. Som de rapporterer i en avis, der udkom online i dag i Fysisk gennemgang X , de brugte sekvenser af flere periodiske positions- og momentummålinger - ved at variere perioden, de kunne kontrollere, om en måling forstyrrede tilstanden af ​​den følgende. Ved specifikke værdier af perioden, de fandt ud af, at sådanne målinger kan forhindre forstyrrelser, hvorimod andre valg gav stærk forstyrrelse. Observationen af ​​forstyrrelser er en signatur på, at den enkelte ion udviser kvantemekanisk adfærd - for en klassisk oscillator, de modulære målinger forventes altid at være uforstyrrede.

Evnen til at indstille graden af ​​forstyrrelse mellem efterfølgende målinger åbner mulighed for at udføre fundamentale test af kvantemekanik. Kvantemekanik kan skelnes fra klassisk fysik ved at overveje årsagssammenhænge - hvor meget en måling forstyrrer den næste - og også ved at se på sammenhænge mellem målinger. Fluehmann et al. udforske sidstnævnte ved at måle tidskorrelatorer mellem de sekventielle målinger og bruge dem til at overtræde den såkaldte Leggett-Garg-ulighed (som også i sagens natur er umulig med et rent klassisk system).

I dette tilfælde, nogle af overtrædelserne kan ikke forklares med forstyrrelsen mellem efterfølgende målinger. Forholdet mellem forstyrrelse og krænkelser af Leggett-Garg uligheden er subtil, men begge metoder bekræfter kvantenaturen af ​​oscillatortilstandene. Ja, disse tilstande er blandt de mest komplekse kvanteoscillatortilstande produceret til dato. De generaliserer det berømte Schroedingers kat tankeeksperiment til otte forskellige mesoskopiske tilstande, analogt med en kat, der befinder sig på forskellige stadier af sygdom i stedet for blot at være død eller levende.

Med henblik på praktiske implikationer, modulær positions- og momentummåling er centrale komponenter i en række forslag til kvanteberegnings- og præcisionsmålingsprotokoller, der udnytter periodiske funktioner af position og momentum til at undslippe Heisenbergs usikkerhedsprincip. Fluehmanns og hendes medarbejderes arbejde giver en grundlæggende ingrediens - måling - til sådanne applikationer, dermed bringe dem tættere på rækkevidde.