Nukleär spintomografi är en tillämpning inom medicin. Patienten absorberar och återutsänder elektromagnetisk strålning i alla riktningar, som detekteras och rekonstrueras som 3-D-bilder eller 2-D-snittbilder. I ett grundläggande vetenskapligt laboratorium, kvanttillståndstomografi är processen att fullständigt karakterisera ett objekts kvanttillstånd när det emitteras av dess källa, innan en eventuell mätning eller interaktion med omgivningen sker.

Denna teknik har blivit ett viktigt verktyg inom det framväxande området av kvantteknik. Den teoretiska ramen för kvanttillståndstomografi går tillbaka till 1970-talet. Dess experimentella implementeringar utförs numera rutinmässigt i en mängd olika kvantsystem. Grundprincipen för kvanttillståndstomografi är att upprepade gånger utföra mätningar från olika rumsliga riktningar på kvantsystem för att unikt identifiera systemets kvanttillstånd. Detta kräver mycket beräkningsmässig efterbearbetning av de uppmätta data för att härleda det initiala kvanttillståndet från de observerade mätresultaten.

Följaktligen, under 2011, en novell, en mer direkt tomografisk metod etablerades för att bestämma kvanttillståndet utan behov av efterbearbetning. Dock, den nya metoden hade en stor nackdel:den använder minimalt störande mätningar, så kallade svaga mätningar, för att bestämma systemets kvanttillstånd. Grundtanken bakom svaga mätningar är att få mycket lite information om det observerade systemet genom att hålla störningen av mätprocessen försumbar. Vanligtvis, att göra en mätning har en enorm inverkan på ett kvantsystem, orsakar att kvantfenomen som intrassling eller interferens försvinner oåterkalleligt.

Eftersom mängden information som erhålls via denna procedur är mycket liten, mätningarna måste upprepas flera gånger – en stor nackdel med denna mätprocedur i praktiska tillämpningar. En forskargrupp vid Institute of Atomic and Subatomic Physics vid TU Wien under ledning av Stephan Sponar har lyckats kombinera dessa två metoder. "Vi kunde vidareutveckla den etablerade metoden så att behovet av svaga mätningar blir obsolet. Alltså, vi kunde integrera vanliga, så kallade starka mätningar, i det direkta mätförfarandet av kvanttillståndet. Följaktligen, det är möjligt att bestämma kvanttillståndet med högre precision och noggrannhet på mycket kortare tid jämfört med tillvägagångssättet med svaga mätningar - ett enormt framsteg, ", förklarar Tobias Denkmayr, den första författaren till tidningen. Dessa resultat har nu publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Neutroninterferometri – den nya metoden att välja mellan

Ett experimentellt test av det nya schemat i ett neutroninterferometriskt experiment utfördes av Sponar och hans team. Den är baserad på neutronernas vågnatur, som är massiva nukleära beståndsdelar som utgör nästan två tredjedelar av universum. Ändå, om de är isolerade från atomkärnan - till exempel, i klyvningsprocessen i en forskningsreaktor — de beter sig som vågor. Detta fenomen brukar kallas våg-partikeldualitet, som förklaras inom ramen för kvantmekaniken. Inuti interferometern, en infallande stråle delas upp i två separata strålar av en tunn, perfekt silikonkristallplatta. Strålarna färdas längs olika vägar i rymden, och vid någon tidpunkt kombineras och tillåts störa. Experimentet gjordes vid neutronkällan vid Institut Laue-Langevin (ILL) i Grenoble, där gruppen av Institutet för atom- och subatomär fysik ansvarar för en permanent strålport.

Det är viktigt att notera att resultaten inte är begränsade till det kvantsystem som bildas av enstaka neutroner, men är, faktiskt, helt allmänt. Därför, de kan appliceras på många andra kvantsystem som fotoner, fångade joner eller supraledande qubits. Resultaten kan ha en stor inverkan på hur kvanttillståndsuppskattning utförs i framtiden och skulle kunna utnyttjas i den snabbt utvecklande teknologin som tillämpas inom kvantinformationsvetenskap.