Quantum Cheshire-katteundersøgelse finder ud af, at partikler trods alt ikke kan adskilles fra deres egenskaber

Quantum Cheshire cat-effekten henter sit navn fra den fiktive Cheshire Cat i historien om Alice i Eventyrland. Den kat var i stand til at forsvinde og efterlod kun sit grin.

Tilsvarende hævdede forskere i et papir fra 2013, at kvantepartikler er i stand til at adskille sig fra deres egenskaber, idet egenskaberne rejser langs stier, som partiklen ikke kan. De kaldte dette den kvante Cheshire-katteeffekt. Forskere har siden hævdet at udvide dette yderligere ved at bytte egenskaber uden krop mellem partikler, fjerne flere egenskaber samtidigt og endda "separere bølge-partikel-dualiteten" af en partikel.

Men nyere forskning offentliggjort i New Journal of Physics , viser, at disse eksperimenter faktisk ikke viser partikler, der splittes fra deres egenskaber, men i stedet viser et andet kontraintuitivt træk ved kvantemekanikken - kontekstualitet.

Kvantemekanik er studiet af lys og stofs opførsel på atomare og subatomare skalaer. Kvantemekanikken er i sin natur kontraintuitiv. Forskerholdet satte sig for at grundlæggende forstå denne kontraintuitive natur, mens de udforskede praktiske fordele.

"De fleste mennesker ved, at kvantemekanik er mærkeligt, men at identificere, hvad der forårsager denne underlighed, er stadig et aktivt forskningsområde. Det er langsomt blevet formaliseret til en forestilling, der kaldes kontekstualitet - at kvantesystemer ændrer sig afhængigt af, hvilke målinger du foretager på dem," sagde Jonte Hance, forsker ved Hiroshima University og University of Bristol.

En sekvens af målinger på et kvantesystem vil give forskellige resultater afhængigt af den rækkefølge, målingerne udføres i. For eksempel, hvis vi måler, hvor en partikel er og derefter hvor hurtigt den bevæger sig, vil dette give andre resultater end først at måle, hvor hurtigt den bevæger sig og derefter hvor den er.

På grund af denne kontekstualitet kan kvantesystemer måles som havende egenskaber, som vi ville forvente at være gensidigt inkompatible. "Men vi forstår stadig ikke rigtig, hvad der forårsager dette, så det er det, vi ønskede at undersøge ved at bruge det paradoksale kvante Cheshire cat-scenarie som et testbed," sagde Hance.

Holdet bemærker, at problemet med Quantum Cheshire cat paradokset er, at dens oprindelige påstand, at partiklen og dens egenskaber, såsom spin eller polarisering, adskilles og bevæger sig ad forskellige veje, måske en misvisende repræsentation af den faktiske fysik af situationen.

"Vi vil rette op på dette ved at vise, at der opnås forskellige resultater, hvis et kvantesystem måles på forskellige måder, og at den oprindelige fortolkning af kvante-Cheshire-katten kun opstår, hvis man kombinerer resultaterne af disse forskellige målinger på en meget specifik måde, og ignorer denne målingsrelaterede ændring," sagde Holger Hofmann, professor ved Hiroshima University.

Holdet analyserede Cheshire cat-protokollen ved at undersøge forholdet mellem tre forskellige målinger vedrørende stien og polariseringen af ​​en foton inden for kvante Cheshire cat-protokollen. Disse ville have resulteret i en logisk modsigelse, hvis systemet ikke var kontekstuelt.

Deres papir diskuterer, hvordan denne kontekstuelle adfærd forbindes med svage værdier og sammenhængen mellem forbudte stater. Deres arbejde viste, at i stedet for en egenskab ved partiklen, der bliver fjernet, demonstrerer kvante-Cheshire-katten virkningerne af disse sammenhænge, ​​der typisk findes i præ- og efterudvalgte systemer.

Når vi ser fremad, ønsker teamet at udvide denne forskning, finde en måde at forene paradoksale kvanteeffekter som manifestationer af kontekstualitet og forklare, hvordan og hvorfor målinger ændrer kvantesystemer.

"Dette vil ikke kun hjælpe os med endelig at forklare, hvorfor kvantemekanik er så kontraintuitiv, men det vil også hjælpe os med at udvikle måder at bruge denne underlighed til praktiske formål. I betragtning af at kontekstualitet i sagens natur er forbundet med scenarier med en kvantefordel i forhold til klassiske løsninger på et givet problem, kun ved at forstå kontekstualitet vil vi være i stand til at realisere det fulde potentiale af for eksempel kvantecomputere," sagde Hance.

Flere oplysninger: Jonte R Hance et al, Contextuality, coherences, and quantum Cheshire cats, New Journal of Physics (2023). DOI:10.1088/1367-2630/ad0bd4

Leveret af Hiroshima University