Resultatet av experimentet kan sammanfattas i en animerad GIF som visar vad som händer med jonens kvanttillstånd under denna miljondels sekund. Tillståndet kan visualiseras med hjälp av en tredimensionell tavla. Höjden på staplarna indikerar graden av överlagring av de möjliga kvanttillstånden. Filmen visar hur några av superpositionerna går förlorade under mätningen – och hur denna förlust sker gradvis – medan andra bevaras som de ska i en idealisk kvantmätning. Kredit:F. Pokorny et al., "Spåra dynamiken i en ideal kvantmätning, " Fysiska granskningsbrev 2020
Att mäta ett kvantsystem får det att förändras - en av de märkliga men grundläggande aspekterna av kvantmekaniken. Forskare vid Stockholms universitet har nu kunnat visa hur denna förändring sker. Resultaten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev .
Kvantfysiken beskriver individuella atomers inre värld, en värld som skiljer sig mycket från vår vardagliga upplevelse. En av de många konstiga men ändå grundläggande aspekterna av kvantmekaniken är observatörens roll – mätning av tillståndet i ett kvantsystem gör att det förändras. Trots vikten av mätprocessen inom teorin, den har fortfarande obesvarade frågor:Kollapsar ett kvanttillstånd omedelbart under en mätning? Om inte, hur lång tid tar mätningsprocessen och vad är systemets kvanttillstånd vid något mellansteg?
Ett samarbete mellan forskare från Sverige, Tyskland och Spanien har besvarat dessa frågor med en enda atom - en strontiumjon som fångas i ett elektriskt fält. Mätningen på jonen varar bara en miljondels sekund. Genom att producera en "film" bestående av bilder tagna vid olika tidpunkter av mätningen visade de att förändringen av tillståndet sker gradvis under mätinflytande.
Atomer följer kvantmekanikens lagar som ofta motsäger våra normala förväntningar. Det inre kvanttillståndet hos en atom bildas av tillståndet hos elektronerna som cirkulerar runt atomkärnan. Elektronen kan cirkla runt kärnan i en bana nära eller längre bort. Kvantmekanik, dock, tillåter också så kallade superpositionstillstånd, där elektronen upptar båda banorna samtidigt, men varje bana endast med viss sannolikhet.
"Varje gång vi mäter elektronens omloppsbana, svaret på mätningen kommer att vara att elektronen var antingen i en lägre eller högre bana, aldrig något däremellan. Detta är sant även när det initiala kvanttillståndet var en överlagring av båda möjligheterna. Mätningen tvingar på sätt och vis elektronen att avgöra i vilket av de två tillstånden den befinner sig, säger Fabian Pokorny, forskare vid institutionen för fysik, Stockholms universitet.
"Filmen" visar utvecklingen under mätningsprocessen. De enskilda bilderna visar tomografidata där staplarnas höjd avslöjar graden av överlagring som fortfarande finns bevarad. Under mätningen går några av superpositionerna förlorade – och denna förlust sker gradvis – medan andra bevaras som de borde vara för en idealisk kvantmätning.
"Dessa rön kastar nytt ljus över naturens inre funktioner och överensstämmer med den moderna kvantfysikens förutsägelser, säger Markus Hennrich, gruppledare för laget i Stockholm.
Dessa resultat är också viktiga utöver grundläggande kvantteori. Kvantmätning är en viktig del av kvantdatorer. Gruppen vid Stockholms universitet arbetar med datorer baserade på fångade joner, där mätningarna används för att läsa ut resultatet i slutet av en kvantberäkning.
