Kvantsuperpositionsprincipen har testats i en skala som aldrig förr i en ny studie av forskare vid universitetet i Wien i samarbete med universitetet i Basel. Varm, komplexa molekyler sammansatta av nästan två tusen atomer fördes in i en kvantöverlagring och fick störa. Genom att bekräfta detta fenomen - "hjärtat i kvantmekaniken, " med Richard Feynmans ord - i en ny massskala, förbättrade begränsningar för alternativa teorier till kvantmekaniken har lagts. Verket kommer att publiceras i Naturfysik .

Kvant till klassiskt?

Superpositionsprincipen är ett kännetecken för kvantteorin som kommer från en av kvantmekanikens mest fundamentala ekvationer, Schrödinger-ekvationen. Den beskriver partiklar inom ramen för vågfunktioner, som, ungefär som vattenvågor på ytan av en damm, kan uppvisa störningseffekter. Men i motsats till vattenvågor, som är ett kollektivt beteende av många interagerande vattenmolekyler, kvantvågor kan också associeras med isolerade enstaka partiklar.

Det kanske mest eleganta exemplet på partiklars vågnatur är experimentet med dubbla spalter, där en partikels vågfunktion samtidigt passerar genom två slitsar och stör. Denna effekt har visats för fotoner, elektroner, neutroner, atomer och till och med molekyler, och det väcker en fråga som fysiker och filosofer har kämpat med sedan kvantmekanikens tidigaste dagar:hur övergår dessa märkliga kvanteffekter till den klassiska världen som vi alla är bekanta med

Experimentellt tillvägagångssätt

Experimenten av Markus Arndt och hans team vid universitetet i Wien närmar sig denna fråga på det mest direkta sättet möjligt, det är, genom att visa kvantinterferens med allt mer massiva föremål. Molekylerna i de senaste experimenten har massor som är större än 25, 000 atommassaenheter, flera gånger större än det tidigare rekordet. En av de största molekylerna som skickas genom interferometern, C707H260F908N16S53Zn4, består av mer än 40, 000 protoner, neutroner, och elektroner, med en de Broglie-våglängd som är tusen gånger mindre än diametern på ens en enda väteatom. Marcel Mayor och hans team vid universitetet i Basel använde speciella tekniker för att syntetisera sådana massiva molekyler som var tillräckligt stabila för att bilda en molekylstråle i ultrahögt vakuum. Att bevisa kvantnaturen hos dessa partiklar krävde också en materiavågsinterferometer med en två meter lång baslinje som var specialbyggd i Wien.

Alternativa kvantmodeller och makroskopicitet

En klass av modeller som syftar till att förena den uppenbara övergången från ett kvantum till ett klassiskt regime förutsäger att vågfunktionen hos en partikel spontant kollapsar med en hastighet som är proportionell mot dess massa i kvadrat. Genom att experimentellt visa att en superposition upprätthålls för en tung partikel under en given tidsperiod sätter därför direkt gränser för hur ofta och hur lokaliserad en sådan kollapsprocess kan vara. I dessa experiment förblev molekylerna i en superposition i mer än 7 ms, tillräckligt lång för att sätta nya interferometriska gränser för alternativa kvantmodeller.

Ett generaliserat mått som kallas makroskopicitet används för att klassificera hur väl alternativa modeller utesluts av sådana experiment, och experimenten av Fein et al. publicerad i Naturfysik representerar verkligen en ökning av storleksordningen i makroskopicitet. "Våra experiment visar att kvantmekaniken, med alla dess konstigheter, är också otroligt robust, och jag är optimistisk att framtida experiment kommer att testa det i en ännu mer massiv skala, " säger Fein. Gränsen mellan quantum och klassisk blir suddigare hela tiden.