Forskere filmer en kvantemåling

Måling af et kvantesystem får det til at ændre sig - et af de mærkelige, men fundamentale aspekter ved kvantemekanik. Forskere ved Stockholms universitet har nu kunnet demonstrere, hvordan denne ændring sker. Resultaterne offentliggøres i det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Kvantfysik beskriver den indre verden af ​​individuelle atomer, en verden, der er meget anderledes end vores hverdag. Et af de mange mærkelige, men grundlæggende aspekter ved kvantemekanikken er observatørens rolle - måling af et kvantesystems tilstand får det til at ændre sig. På trods af måleprocessens betydning inden for teorien, den indeholder stadig ubesvarede spørgsmål:Falder en kvantetilstand sammen øjeblikkeligt under en måling? Hvis ikke, hvor lang tid tager måleprocessen, og hvad er systemets kvantetilstand ved et mellemliggende trin?

Et samarbejde mellem forskere fra Sverige, Tyskland og Spanien har besvaret disse spørgsmål ved hjælp af et enkelt atom - en strontiumion fanget i et elektrisk felt. Målingen på ion varer kun en milliontedel af et sekund. Ved at producere en "film" bestående af billeder taget på forskellige tidspunkter af målingen viste de, at ændringen af ​​tilstanden sker gradvist under måleindflydelsen.

Atomer følger lovene i kvantemekanikken, som ofte modsiger vores normale forventninger. Atoms indre kvantetilstand dannes af elektronernes tilstand, der cirkler rundt om atomkernen. Elektronen kan cirkulere rundt om kernen i en bane tæt eller længere væk. Kvantemekanik, imidlertid, tillader også såkaldte superpositionstilstande, hvor elektronen optager begge baner på én gang, men hver bane kun med en vis sandsynlighed.

"Hver gang vi måler elektronens bane, målingens svar vil være, at elektronen enten var i en lavere eller højere bane, aldrig noget imellem. Dette er sandt, selv når den oprindelige kvantetilstand var en superposition af begge muligheder. Målingen tvinger på en måde elektronen til at bestemme i hvilken af ​​de to tilstande det er, "siger Fabian Pokorny, forsker ved Institut for Fysik, Stockholms universitet.

"Filmen" viser udviklingen under måleprocessen. De enkelte billeder viser tomografidata, hvor stængernes højde afslører graden af ​​superposition, der stadig bevares. Under målingen går nogle af superpositionerne tabt - og dette tab sker gradvist - mens andre bevares, som de burde være til en ideel kvantemåling.

"Disse fund kaster nyt lys over naturens indre virke og er i overensstemmelse med forudsigelserne om moderne kvantefysik, "siger Markus Hennrich, gruppeleder for teamet i Stockholm.

Disse resultater er også vigtige ud over grundlæggende kvanteteori. Kvantemåling er en væsentlig del af kvantecomputere. Gruppen på Stockholms universitet arbejder på computere baseret på fangede ioner, hvor målingerne bruges til at aflæse resultatet ved afslutningen af ​​en kvanteberegning.