Fysiker har sökt efter avvikelser från standard kvantmekanik, testa om kvantmekaniken kräver en mer komplex uppsättning matematiska regler. För att göra det designade ett forskarlag under ledning av Philip Walther vid universitetet i Wien ett nytt fotoniskt experiment med exotiska metamaterial, som tillverkades vid University of California Berkeley. Deras experiment stöder standard kvantmekanik och tillåter forskarna att sätta gränser för alternativa kvantteorier. Resultaten, som publiceras i Naturkommunikation , skulle kunna hjälpa till att vägleda teoretiskt arbete i sökandet efter en mer allmän version av kvantmekaniken.

Kvantmekaniken är baserad på en uppsättning matematiska regler, beskriver hur kvantvärlden fungerar. Dessa regler förutspår, till exempel, hur elektroner kretsar kring en kärna i en atom, och hur en atom kan absorbera fotoner, ljuspartiklar. Kvantmekanikens standardregler fungerar extremt bra, men, med tanke på att det fortfarande finns öppna frågor angående tolkningen av kvantmekanik, forskare är inte säkra på om de nuvarande reglerna är den sista historien. Detta har motiverat vissa forskare att utveckla alternativa versioner av de matematiska reglerna, som på ett korrekt sätt kan förklara resultaten av tidigare experiment, men ger ny insikt i kvantmekanikens underliggande struktur. Några av dessa alternativa matematiska regler förutsäger till och med nya effekter, som kräver nya experimentella tester.

Vardagsupplevelse av matematiska regler

I vardagen, går vi hela vägen runt en park hamnar vi tillbaka på samma plats oavsett om vi väljer att gå medsols eller motsols. Fysiker skulle säga att dessa två handlingar pendlar. Alla åtgärder behöver inte pendla, fastän. Om, på vår promenad runt parken, vi går medurs, och först hitta pengar som ligger på marken och sedan stöta på en glassman, vi kommer ut ur parken och känner oss fräscha. Dock, om vi istället reser moturs, vi kommer att träffa glassmannen innan vi hittar pengarna som behövs för att köpa glassen. Isåfall, vi kan lämna parken och känna oss besvikna. För att avgöra vilka handlingar som pendlar eller inte pendlar, tillhandahåller fysiker en matematisk beskrivning av den fysiska världen.

I standard kvantmekanik, dessa matematiska regler använder komplexa tal. Dock, nyligen föreslogs en alternativ version av kvantmekaniken som använder mer komplexa, så kallade "hyperkomplexa" tal. Dessa är en generalisering av komplexa tal. Med de nya reglerna fysiker kan replikera de flesta av förutsägelserna från standardkvantmekaniken. Dock, hyperkomplexa regler förutspår att vissa operationer som pendlar i standardkvantmekanik inte faktiskt pendlar i den verkliga världen.

Söker efter hyperkomplexa tal

En forskargrupp ledd av Philip Walther har nu testat för avvikelser från standardkvantmekaniken som förutspåtts av den alternativa hyperkomplexa kvantteorin. I sitt experiment ersatte forskarna parken med en interferometer, en enhet som gör att en enda foton kan färdas två vägar samtidigt. De ersatte pengarna och glassen med ett vanligt optiskt material och ett specialdesignat metamaterial. Det normala optiska materialet saktade ner ljuset något när det passerade genom, medan metamaterialet påskyndade ljuset något.

Reglerna för standardkvantmekaniken dikterar att ljus beter sig likadant oavsett om det först passerar genom ett normalt material och sedan genom ett metamaterial eller vice versa. Med andra ord, verkan av de två materialen på ljuspendlingen. I hyperkomplex kvantmekanik, dock, så kanske inte är fallet. Från beteendet hos de uppmätta fotonerna verifierade fysikerna att hyperkomplexa regler inte behövdes för att beskriva experimentet. "Vi kunde sätta mycket exakta gränser för behovet av hyperkomplexa tal för att beskriva vårt experiment, " säger Lorenzo Procopio, en huvudförfattare till studien. Dock, författarna säger att det alltid är väldigt svårt att entydigt utesluta något. Lee Rozema, en annan författare till tidningen, säger "vi är fortfarande väldigt intresserade av att utföra experiment under olika förhållanden och med ännu högre precision, att samla in mer bevis som stöder standard kvantmekanik." Detta arbete har satt snäva gränser för behovet av en hyperkomplex kvantteori, men det finns många andra alternativ som måste testas, och de nyutvecklade verktygen ger den perfekta vägen för detta.