Fysiker har föreslagit ett helt nytt sätt att testa kvantsuperpositionsprincipen - idén att ett kvantobjekt kan existera i flera tillstånd samtidigt. Det nya testet är baserat på att undersöka kvantrotationen av ett makroskopiskt objekt – specifikt, en rotor i nanoskala, som anses makroskopisk trots sin lilla storlek.

Tills nu, de flesta tester av kvantöverlagring har baserats på linjära, snarare än roterande, rörelse. Genom att undersöka rotationsrörelse, det nya testet kan leda till tillämpningar som kvantförstärkt vridmomentavkänning, och kan ge insikt i en mängd olika öppna frågor, till exempel vad som får kvantvågsfunktionen att kollapsa.

fysikerna, ledd av Klaus Hornberger vid universitetet i Duisburg-Essen, Tyskland, har publicerat ett papper om det föreslagna testet i ett nytt nummer av New Journal of Physics .

Kvantsuperposition uppstår eftersom, på kvantskala, partiklar beter sig som vågor. På samma sätt som flera vågor kan överlappa varandra för att bilda en enda ny våg, kvantpartiklar kan existera i flera överlappande tillstånd samtidigt. Om kvantöverlagring inträffade i vardagen, vi kan observera fenomen som Schrödingers katt, som är död och levande på samma gång tills den är mätt, tvingar den att anta ett enda tillstånd.

I den nya tidningen, forskarna föreslår att sväva en rotor i nanoskala med en optisk pincett, som bildas av två motriktade polariserade laserstrålar som gör att rotorn ligger tätt i linje med fältpolarisationen. När strålarna är avstängda, dock, den tätt orienterade rotorn förutsägs snabbt spridas till en överlagring av alla möjliga rotationstillstånd när den faller mot marken på grund av gravitationen.

Intressant, rotorn förutspås uppleva "kvantväckelser" där, med jämna mellanrum i tiden, den kollektiva interferensen av alla rotationstillstånden leder till att det initiala tillståndet återkommer som det upptog när det var inriktat av laserstrålarna. Orienteringen kan potentiellt mätas genom att belysa rotorn med en svag sondlaser, och fångstlasern kan slås på igen för att fånga upp rotorn i detta tillstånd innan den når marken.

Än så länge, Orienterande kvantväckelser har endast observerats i gaser av diatomiska molekyler. Eftersom nanoroderna består av minst 10, 000 atomer, de är mycket större än diatomära molekyler, gör det möjligt för kvantmekaniken att testas i en okänd regim.

Fysikerna förväntar sig att det kommer att vara möjligt att observera kvantupplivningar av nanoroderna med hjälp av befintlig teknik, till exempel genom att använda ett kolnanorör som rotor. Om så är fallet, observationen skulle representera ett nytt makroskopiskt test av kvantöverlagring.

"Genom att observera kvantväckelserna, vi hoppas kunna bekräfta kvantmekaniken i en aldrig tidigare skådad mass- och komplexitetsskala, därigenom utforskar den kvant-till-klassiska gränsen, " berättade Hornberger Phys.org .

I framtiden, medförfattare James Millen, nu på King's College London, planerar att utföra det föreslagna experimentet för att upptäcka makroskopiska kvantväckelser.

"Att testa om kvantfysiken bryts ner vid en hög massa är en spännande, ändå skrämmande, utmaning, ", sa Millen. "Vi kanske måste utveckla helt ny teknik för att isolera partiklar i nanoskala, eller till och med utföra experiment i rymden. Dock, detta experiment som vi föreslår öppnar en helt ny väg för att undersöka gåtfulla kvanteffekter, på ett sätt som jag är övertygad om är genomförbart med dagens teknik. Vidare, vi kommer att kunna utnyttja denna fysik för att utveckla användbara enheter med oöverträffad känslighet."

© 2018 Science X Network