Uddrag af rækkefølge fra en kvantemåling endelig vist eksperimentelt

I fysik, det er væsentligt at kunne vise en teoretisk antagelse i faktisk, fysiske eksperimenter. I mere end hundrede år, fysikere har været opmærksomme på sammenhængen mellem begreberne uorden i et system, og information opnået ved måling. Imidlertid, en ren eksperimentel vurdering af denne forbindelse i almindelige overvågede systemer, det er systemer, der løbende måles over tid, manglede indtil videre.

Men nu, ved hjælp af en "kvantetromme, "en vibrerende, mekanisk membran, forskere ved Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet, har realiseret en forsøgsopstilling, der viser det fysiske samspil mellem lidelsen og resultaterne af en måling. Mest vigtigt, disse resultater gør det muligt at udtrække orden fra det stort set uordnede system, at give et generelt værktøj til at konstruere systemets tilstand, afgørende for fremtidige kvanteteknologier, som kvantecomputere. Resultatet er nu offentliggjort i som et redaktørforslag i Fysisk gennemgangsbreve .

Målinger vil altid introducere et niveau af forstyrrelse af ethvert system, det måler. I det almindelige, fysisk verden, dette er normalt ikke relevant, fordi det er helt muligt for os at måle, sige, længden af ​​et bord uden at bemærke den forstyrrelse. Men på kvanteskalaen, ligesom bevægelserne af membranerne brugt i Schliesser-laboratoriet på Niels Bohr Institutet, konsekvenserne af forstyrrelsen ved målinger er enorme. Disse store forstyrrelser øger entropien, eller lidelse, af det underliggende system, og tilsyneladende udelukker at udtrække enhver ordre fra målingen. Men før jeg forklarer, hvordan det nylige eksperiment indså dette, begreberne entropi og termodynamik har brug for et par ord.

At knække et æg er termodynamik

Termodynamikkens lov dækker over ekstremt komplicerede processer. Det klassiske eksempel er, at hvis et æg falder af et bord, det knækker på gulvet. Ved sammenstødet, varme produceres – blandt mange andre fysiske processer – og hvis du forestiller dig, at du kunne kontrollere alle disse komplicerede processer, der er intet i de fysiske love, der siger, at du ikke kan vende processen. Med andre ord, ægget kunne faktisk samle sig selv og flyve op til bordfladen igen, hvis vi kunne kontrollere opførselen af ​​hvert enkelt atom, og vende processen. Det er teoretisk muligt.

Du kan også tænke på et æg som et bestilt system, og hvis den går i stykker, det bliver ekstremt uordnet. Fysikere siger, at entropien, mængden af ​​uorden, er steget. Termodynamikkens love fortæller os, at lidelsen faktisk altid vil stige, ikke omvendt:Så æg hopper generelt ikke ned fra gulvet, samles og lande på borde i den virkelige verden.

Korrekte kvantesystemaflæsninger er afgørende - og notorisk svære at opnå

Hvis vi vender os til kvantemekanikken, verden ser ret anderledes ud, og dog det samme. Hvis vi kontinuerligt måler forskydningen af ​​en mekanisk, bevægende system som "membrantromlen" (illustration 1) med en præcision, der kun er begrænset af kvantelovene, denne måling forstyrrer bevægelsen dybt. Så du ender med at måle en forskydning, som bliver forstyrret under selve måleprocessen, og udlæsningen af ​​den oprindelige forskydning vil blive spoleret - medmindre du også kan måle den indførte lidelse.

I dette tilfælde, du kan bruge informationen om lidelsen til at reducere entropien produceret af målingen og generere orden ud fra den - sammenlignelig med at kontrollere lidelsen i det knuste ægsystem. Men denne gang har vi også oplysningerne om forskydningen, så vi har lært noget om hele systemet undervejs, og, afgørende, vi har adgang til den oprindelige vibration af membranen, altså den korrekte udlæsning.

En generaliseret ramme til forståelse af entropi i kvantesystemer

"Forbindelsen mellem termodynamik og kvantemålinger har været kendt i mere end et århundrede. en eksperimentel vurdering af dette link manglede indtil videre, i forbindelse med kontinuerlige målinger. Det er præcis, hvad vi har gjort med dette eksperiment. Det er helt afgørende, at vi forstår, hvordan målinger producerer entropi og uorden i kvantesystemer, og hvordan vi bruger det for at have kontrol over de udlæsninger, vi skal have i fremtiden fra, sige, et kvantesystem som en kvantecomputer.

Hvis vi ikke er i stand til at kontrollere forstyrrelserne, vi vil dybest set ikke være i stand til at forstå udlæsningerne – og kvantecomputerens udlæsninger vil være ulæselige, og ubrugelig, selvfølgelig, " siger Massimiliano Rossi, Ph.D. studerende og førsteforfatter på den videnskabelige artikel. "Denne ramme er vigtig for at skabe et generaliseret grundlæggende grundlag for vores forståelse af entropi-producerende systemer på kvanteskalaen. Det er dybest set her, denne undersøgelse passer ind i den større skala af ting i fysik."