2000 atomer to steder på én gang:En ny rekord i kvantesuperposition

Kvantesuperpositionsprincippet er blevet testet i en skala som aldrig før i en ny undersøgelse foretaget af forskere ved universitetet i Wien i samarbejde med universitetet i Basel. Hed, komplekse molekyler sammensat af næsten to tusinde atomer blev bragt i en kvantesuperposition og fik til at interferere. Ved at bekræfte dette fænomen - "kvantemekanikkens hjerte, "med Richard Feynmans ord - på en ny masseskala, forbedrede begrænsninger på alternative teorier til kvantemekanik er blevet placeret. Værket vil blive offentliggjort i Naturfysik .

Kvante til klassisk?

Superpositionsprincippet er et kendetegn for kvanteteorien, som udspringer af en af ​​kvantemekanikkens mest fundamentale ligninger, Schrödinger-ligningen. Den beskriver partikler inden for rammerne af bølgefunktioner, hvilken, meget som vandbølger på overfladen af ​​en dam, kan udvise interferenseffekter. Men i modsætning til vandbølger, som er en kollektiv adfærd af mange interagerende vandmolekyler, kvantebølger kan også forbindes med isolerede enkeltpartikler.

Det måske mest elegante eksempel på partiklernes bølgenatur er dobbeltspalteeksperimentet, hvor en partikels bølgefunktion samtidig passerer gennem to spalter og interfererer. Denne effekt er blevet påvist for fotoner, elektroner, neutroner, atomer og endda molekyler, og det rejser et spørgsmål, som fysikere og filosoffer har kæmpet med siden kvantemekanikkens tidligste dage:hvordan går disse mærkelige kvanteeffekter over i den klassiske verden, som vi alle er bekendt med

Eksperimentel tilgang

Eksperimenterne udført af Markus Arndt og hans team ved universitetet i Wien nærmer sig dette spørgsmål på den mest direkte måde som muligt, det er, ved at vise kvanteinterferens med stadig mere massive objekter. Molekylerne i de seneste eksperimenter har masser større end 25, 000 atommasseenheder, flere gange større end den tidligere rekord. Et af de største molekyler sendt gennem interferometeret, C707H260F908N16S53Zn4, består af mere end 40, 000 protoner, neutroner, og elektroner, med en de Broglie-bølgelængde, der er tusind gange mindre end diameteren af ​​selv et enkelt brintatom. Marcel Mayor og hans team ved universitetet i Basel brugte specielle teknikker til at syntetisere sådanne massive molekyler, der var tilstrækkeligt stabile til at danne en molekylær stråle i ultrahøjt vakuum. At bevise kvantenaturen af ​​disse partikler krævede også et stofbølge-interferometer med en to meter lang baseline, der var specialbygget i Wien.

Alternative kvantemodeller og makroskopicitet

En klasse af modeller, der har til formål at forene den tilsyneladende overgang fra et kvante- til et klassisk regime, forudsiger, at en partikels bølgefunktion spontant kollapser med en hastighed, der er proportional med dens masse i kvadrat. Ved eksperimentelt at vise, at en superposition opretholdes for en tung partikel i et givet tidsrum, sætter derfor direkte grænser for, hvor ofte og hvor lokaliseret en sådan kollapsproces kan være. I disse eksperimenter forblev molekylerne i en superposition i mere end 7 ms, lang nok til at sætte nye interferometriske grænser på alternative kvantemodeller.

Et generaliseret mål kaldet makroskopicitet bruges til at klassificere, hvor godt alternative modeller er udelukket af sådanne eksperimenter, og eksperimenterne af Fein et al. udgivet i Naturfysik faktisk repræsenterer en størrelsesorden stigning i makroskopicitet. "Vores eksperimenter viser, at kvantemekanik, med al dens underlighed, er også utrolig robust, og jeg er optimistisk, at fremtidige eksperimenter vil teste det i endnu mere massiv skala, " siger Fein. Grænsen mellem kvante og klassisk bliver hele tiden mere sløret.