Vurdere fysisk realisme eksperimentelt i en kvantereguleret enhed

Skematiske kredsløb af kvantestyrede interferometre. De blå felter repræsenterer enhedsoperationer, som her spiller rollen som superpositionsanordninger - kvantenetværksækvivalenten til en stråledeler. Ved hjælp af en supplerende qubit i superposition (kvantekontrolsystem) implementerer vi den kvantestyrede enhedssuperpositionsenhed (repræsenteret af de røde felter). en original version af kvanteforsinkede valg-eksperimentet, hvor den anden strålesplitter er forberedt i en sammenhængende superposition af at være ind og ud af interferometeret (hhv. lukkede og åbne konfigurationer). b Vores forslag til et kvantestyret virkelighedseksperiment. Her underkastes den første strålesplitter kvantekontrol. Selvom måleresultaterne giver den samme synlighed i begge disse eksperimentelle arrangementer, er realismeaspekterne inde i interferometeret afgørende forskellige. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Nature Communications Physics , Pedro R. Dieguez og et internationalt hold af videnskabsmænd inden for kvanteteknologier, funktionelle kvantesystemer og kvantefysik, udviklede en ny ramme af operationelle kriterium for fysisk virkelighed. Dette forsøg lettede deres forståelse af et kvantesystem direkte via kvantetilstanden på hvert tidspunkt. Under arbejdet etablerede holdet en forbindelse mellem outputsynlighed og elementer af virkeligheden i et interferometer. Holdet leverede et eksperimentelt proof-of-princip for et to-spin-½-system i en interferometrisk opsætning inden for en nuklear magnetisk resonansplatform. Resultaterne validerede Bohrs oprindelige formulering af komplementaritetsprincippet.

Fysik ifølge Niels Bohr

Bohrs komplementaritetsprincip siger, at stof og stråling kan underkastes en samlende ramme, hvor begge grundstoffer kan opføre sig som en bølge eller en partikel, baseret på forsøgsopstillingen. Ifølge Bohrs naturlige filosofi diskuteres karakteren af individualitet af kvantesystemer i forhold til det bestemte arrangement af hele eksperimenter. For næsten et årti siden designede fysikere et kvanteforsinket valgeksperiment (QDCE) med en stråledeler i rumlig kvantesuperposition for at få interferometeret til at have en "lukket + åben" konfiguration, mens systemet repræsenterede en hybrid "bølge + partikel" tilstand . Forskere havde tidligere koblet et målsystem til en kvanteregulator og testet disse ideer for at vise, hvordan fotoner kan udvise bølgelignende eller partikellignende adfærd afhængigt af den eksperimentelle teknik, der bruges til at måle dem. Baseret på evnen til jævnt at interpolere statistikken mellem et bølge- og partikellignende mønster, foreslog fysikere manifestationen af morphing-adfærd i det samme system; hævder en radikal revision af Bohrs komplementaritetsprincip.

Bølge- og partikelrealisme som funktion af synlighed. De grønne diamanter og mørkerøde trekanter er henholdsvis den målte RW (bølgerealisme) og RP (partikelrealisme) inde i interferometeret med arrangementet (kvanteforsinket valgeksperiment). De blå firkanter og røde cirkler er henholdsvis den målte RW og RP inde i interferometeret (kvantekontrolleret virkelighedseksperiment). Symbolerne repræsenterer de eksperimentelle resultater, og de stiplede linjer er numeriske beregninger, der simulerer pulssekvenserne i den indledende eksperimentelle tilstand. Dataene er parametriseret af synligheden for enden af interferometeret. Fejlstængerne blev estimeret via Monte Carlo-udbredelse. Fejlbjælkerne for data repræsenteret som grønne diamanter er mindre end symbolerne. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z

Strategien

Først vedtog Dieguez et al en operationel kvantifier af realisme afhængigt af kvantetilstanden for at tillade meningsfulde hvilke-sti-udsagn. De viste også, at der ikke var nogen sammenhæng mellem synlighed ved udgangen med bølge- og partikelelementer i forhold til det vedtagne kriterium for realisme. Forskerne foreslog en opsætning til at etablere en forbindelse mellem synligheden og bølgeelementerne af virkeligheden i interferometeret og viste relevansen af kvantekorrelationer til bølge-partikel dualitet, efterfulgt af kernemagnetisk resonans til eksperimentel undersøgelse for at argumentere for, hvordan resultaterne gentog Bohrs oprindelige synspunkter .

Kontekstuel realisme i kvanteforsinkede valgeksperimentet (QDCE)

Dieguez et al revurderede QDCE (quantum delayed-choice experiment) via virkelighedens elementer i det nuværende eksperimentelle system. For at opnå dette tilføjede de en qubit som en partikellignende tilstand efter at have passeret den første superpositionsenhed eller stråledeler og faseskifteren i den eksperimentelle opsætning, for at implementere en relativ fase mellem stierne tilbagelagt af qubitten. Holdet aktiverede derefter den endelige superpositionsenhed for at notere transformationen af staten til en bølgelignende tilstand. Baseret på statistikken ved udgangen af kredsløbet udledte de den vej, som qubit'en rejste i interferometeret. For yderligere at forstå processen, beregnede de realismen i kredsløbet og foreslog en ramme til at diskutere virkelighedens elementer for bølgepartikeladfærden i en kvantestyret interferensenhed. Resultaterne viste, hvordan såkaldte partikellignende tilstande svarede til en bølgevirkelighed. Som et resultat bemærkede de, hvordan qubit altid opførte sig som en bølge inde i interferometeret i en eksperimentel tilgang for at demonstrere, hvordan den fysiske virkelighed kan bestemmes af kvantetilstanden på ethvert tidspunkt.

Sandsynlighedsmønster for enden af interferometeret (p0) som funktion af interferensparameteren (α) og faseskifteren (θ). (a) For kvantestyret scenarie med forsinket valg. (b) For kvantestyret realismescenarie. (c) Synlighed (V) af interferometeret i det kvantestyrede realisme-scenarie. Symbolerne repræsenterer de eksperimentelle resultater og de (optrukne og stiplede) numeriske simuleringer. Fejlstængerne blev estimeret via Monte Carlo-udbredelse. I panelerne a, b er fejlbjælken mindre end symbolerne. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z

Kvantestyret virkelighedseksperiment (QCRE)

Holdet foreslog derefter et eksperiment for at løse eksisterende problemer i den foregående eksperimentelle opsætning og for effektivt at overlejre bølge- og partikelelementer i virkeligheden. De beregnede hele systemets tilstande, når qubits rejste inde i interferometeret lige efter faseskiftet. Interferensenheden satte qubitten i en superposition af stier for at antyde en bølgevirkelighed. Da Dieguez et al deaktiverede den kontrollerede interferensenhed i den nye QCRE-opsætning, blev qubit'en ved med at rejse sin oprindelige vej som en partikel for at vise en nøgleforskel til den originale QDCE-opsætning. I modsætning til QDCE bemærkede fysikerne en streng ækvivalens mellem outputstatistikken og den bølgelignende adfærd inde i interferometeret. Resultaterne bekræftede Bohrs oprindelige formulering af komplementaritetsprincippet.

Pulssekvens for den indledende tilstandsforberedelse. De blå (orange) felter repræsenterer x (y) lokale rotationer med vinklerne angivet indeni. Disse rotationer er produceret af en tværgående rf-feltresonans med enten 1H eller 13C kerner, med fase, amplitude og varighed korrekt justeret. De sorte stiplede felter med forbindelser repræsenterer fritidsudvikling under den skalære kobling af begge spins. Bokserne med en grå gradient repræsenterer magnetiske feltgradienter med langsgående orienteringer på linje med spektrometerets cylindriske symmetriakse. Alle kontrolparametre er optimeret til at opbygge en initial pseudo-ren tilstand svarende til ρ=|00⟩⟨00| med high fidelity (≿0,99). Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z

Bevis-of-princip

Forskerne implementerede derefter disse ideer i et proof-of-principle-eksperiment ved hjælp af en flydende-state nuklear magnetisk resonans (NMR) opsætning med to spin ½ qubits kodet i en prøve på ^13- C-mærket chloroform fortyndet i acetone-d6. De udførte eksperimenterne i et Varian 500 MHz spektrometer og brugte ¹³ C nuklear spin for at undersøge realismen og bølge- og partikelegenskaberne ved ¹ H nuklear spin, som omfattede de interferometriske veje. Af de fire kerner isotoper ¹ H, ¹³ C, ³⁵ Cl og ³⁷ Cl tilgængelig, holdet regulerede kun ¹ H og ¹³ C kerner. Holdet udførte cellespin ½ kvantekontrollerede interferometriske protokoller ved hjælp af kombinationer af transversale radiofrekvensimpulser på resonans med hver af kernerne for at observere det interferometriske mønster.

Pulssekvenser for de to interferometriske scenarier. (a) Sekvens for den originale version af quantum delayed-choice-eksperiment (QDCE). Af hensyn til optimeringen blev den første superpositionsoperation og faseskifteren implementeret ved to rotationer (rotationer θ og -π2). Den kvantekontrollerede interferens blev udført ved hjælp af lokale operationer på systemet (1H) og på controlleren (13C), samt to frie evolutioner under den skalære kobling. (b) Pulssekvens for det kvantekontrollerede virkelighedseksperiment (QCRE), hvor den kvantekontrollerede interferens optræder som den første operation efterfulgt af faseskifteren og interferensoperationen. De mest relevante bidrag til den samlede varighed af hvert eksperiment er den frie udvikling, så begge pulssekvenser varer omtrent samme tid (≈14 ms). Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z

Outlook

På denne måde brugte Pedro R. Dieguez og kolleger bølge- og partikeludtryk til at diskutere adfærden af et kvantesystem, der krydser en dobbeltvejsopsætning, for at producere nogle signaler og statistik i outputtet. I quantum delayed-choice-eksperimentet (QDCE) bemærkede forskerne, hvordan output-synligheden ikke fortalte en specifik historie om qubit-adfærd inde i kredsløbet. Holdet introducerede derefter et kvantekontrolleret virkelighedseksperiment (QCRE) - et arrangement, hvor den oprindelige dannelse af Bohrs komplementaritetsprincip kunne opnås, hvor i modsætning til QDCE, ved hjælp af QCRE, regulerede Dieguez et al virkelighedens bølgepartikelelementer for at vise. muligheden for bølge- og partikelsuperposition i opsætningen for at manifestere "morphing realiteter." Forskningen fremhævede komplementaritetsprincippets rolle for at forvandle virkelighedstilstande i et kvantestyret system for at give ny indsigt i karakteren af kvantekausalitet, referencerammer og realistiske aspekter af bølge- og partikelegenskaber knyttet til kvantesystemer. + Udforsk yderligere

Eksperimentel bekræftelse af bølge-partikel dualitet

Sidste artikelVisualisering af spin-vinkelmomentum i vandbølger

Næste artikelSer ud over standardmodellen for at udforske neutronhenfald