Vår förståelse av världen bygger mestadels på grundläggande uppfattningar, som att händelser följer varandra i en väldefinierad ordning. Sådana bestämda order krävs i den makroskopiska världen, för vilka lagarna i klassisk fysik gäller. Det nuvarande arbetet av ett team av fysiker från universitetet i Wien är den första experimentella kvantifieringen av en sådan superposition. Det kommer att publiceras i ett kommande nummer av Vetenskapliga framsteg .

När man beskriver naturen med hjälp av fysiska lagar, forskare utgår ofta från vardagliga erfarenheter. Dock, vår vanliga intuition gäller inte kvantvärlden. Fysiker har nyligen insett att kvantteori till och med tvingar oss att ifrågasätta medfödda begrepp, till exempel i vilken ordning saker händer. Tänka, till exempel, ett lopp mellan två vänner, Alice och Bob. I vardagen, vinnaren är den första som passerar mållinjen. Således, sunt förnuft säger att antingen Alice vinner, Bob vinner, eller de knyter. Detta resonemang, dock, är inte alltid tillämplig i kvantvärlden. Faktiskt, kvantmekanik gör att varje löpare kan vinna och förlora i ett lopp:Alice kunde nå mållinjen både före och efter Bob i kvantöverlag. Dock, även om vi höll en sådan kvantlopp, hur skulle vi kunna verifiera att båda racers vann i superposition? En del av problemet är att kvantmekaniken säger att när vi observerar rasen "kollapsar" den. Det betyder att vi bara ser antingen Alice vinna eller förlora loppet:vi kan inte se superpositionen.

Bevittnade förvrängda beställningar av operationer

En grupp fysiker under ledning av Philip Walther vid universitetet i Wien har genomfört en ny mätning, kallade ett "kausalt vittne", vilket gör att de kan se Alice vinna och förlora samtidigt. Denna spännande mätteknik designades av Caslav Brukners teorigrupp vid Österrikes vetenskapsakademi. Formellt, ett kausalt vittne är ett matematiskt verktyg för att avgöra om det är möjligt att beskriva ett experiment utan att behöva tillgripa överlagrade order. Med detta nya verktyg, fysikerna kunde göra mer än att bara se Alice vinna och förlora i superposition:de kunde kvantifiera i vilken utsträckning de två situationerna faktiskt överlagrades.

Istället för att hålla en mikroskopisk kvantras, forskarna överlagrade ordningen i vilken två kvantoperationer påverkade ljuspartiklar. I deras experiment, fysikerna placerade fotoner - ljuspartiklar - i en superposition av två olika vägar. Varje väg dirigerades sedan i olika ordningar genom två olika kvantoperationer. Även om teamet tidigare hade skapat en sådan överlagring av kvantoperationer, de kunde tidigare bara verifiera superpositionen indirekt.

För att genomföra kausalvittnet, fysikerna behövde utforma ett schema som gjorde det möjligt för dem att extrahera information från insidan av en mycket ömtålig kvantprocess utan att förstöra den. Att göra så, de använde ett annat kvantsystem för att väsentligen höja en flagga när fotonen passerade en av kvantoperationerna. Även om detta fortfarande kunde ha kollapsat systemet, fysikerna hittade ett nytt knep för att mäta det extra kvantsystemet samtidigt som superpositionen hölls intakt. Deras nya teknik tillät dem bara att extrahera information om den övergripande superpositionen, och inte om ordningsföljden. Från dessa mätresultat bekräftade de att fotonerna verkligen hade passerat båda kvantoperationerna i två ordningar samtidigt.

Framtida konsekvenser

Det faktum att kvantoperationernas ordning kan sättas i kvantöverlag öppnar en ny lekplats för studier i kvantmekanik. På den teoretiska sidan, detta indikeras redan av ett stort antal studier och förslag om rollen som "orsakssamband" inom kvantmekaniken. Dock, att översätta dessa förslag till laboratorieexperiment är utmanande. "Vår experimentella demonstration är ett meningsfullt steg framåt på detta område, eftersom det visar hur man extraherar information i dessa processer utan att störa deras kvantitet ", säger Giulia Rubino, huvudförfattare till studien.

Gruppens nästa mål är att utnyttja nya tekniska framsteg för att skapa superpositioner av mer komplexa processer. Detta gör det möjligt för dem att få djupare insikter i samspelet mellan orsakssamband och kvantmekanik. Vidare, den presenterar en intressant ny väg för att optimera uppgifter även bortom vad som är möjligt med hjälp av vanliga kvantdatorer med en fast ordningsföljd.