Labbet vid ILL i Grenoble Laurent Thion, ILL. Kredit:Laurent Thion, ILL
Dubbelslitsexperimentet är det mest kända och förmodligen det viktigaste experimentet inom kvantfysik:enskilda partiklar skjuts mot en vägg med två öppningar, bakom vilka en detektor mäter var partiklarna anländer. Detta visar att partiklarna inte rör sig längs en mycket specifik bana, som man känner till från klassiska objekt, utan längs flera banor samtidigt:Varje enskild partikel passerar genom både vänster och höger öppning.
Normalt kan detta dock endast bevisas genom att utföra experimentet upprepade gånger och utvärdera resultaten av många partikeldetekteringar i slutet. Vid TU Wien utvecklade forskare en ny variant av ett sådant tvåvägsinterferensexperiment som kan korrigera denna brist:En enskild neutron mäts vid en specifik position – och på grund av den sofistikerade mätuppställningen bevisar denna enda mätning redan att partikeln rörde sig längs två olika vägar samtidigt. Det är till och med möjligt att bestämma förhållandet i vilket neutronen fördelades mellan de två banorna. Fenomenet kvantsuperposition kan alltså bevisas utan att behöva tillgripa statistiska argument. Resultaten har nu publicerats i tidskriften Physical Review Research .
Dubbelslitsexperimentet
"I det klassiska dubbelslitsexperimentet skapas ett interferensmönster bakom dubbelslitsen", förklarar Stephan Sponar från Atomic Institute vid TU Wien. "Partiklarna rör sig som en våg genom båda öppningarna samtidigt, och de två delvågorna interfererar då med varandra. På vissa ställen förstärker de varandra, på andra ställen tar de ut varandra."
Sannolikheten för att mäta partikeln bakom dubbelslitsen på en mycket specifik plats beror på detta interferensmönster:där kvantvågen förstärks är sannolikheten att mäta partikeln hög. Där kvantvågen upphävs är sannolikheten låg. Naturligtvis kan denna vågfördelning inte ses genom att titta på en enda partikel. Först när experimentet upprepas många gånger blir vågmönstret alltmer igenkännbart punkt för punkt och partikel för partikel.
"Så, beteendet hos enskilda partiklar förklaras utifrån resultat som bara blir synliga genom statistisk undersökning av många partiklar", säger Holger Hofmann från Hiroshima University, som utvecklade teorin bakom experimentet. "Detta är naturligtvis inte helt tillfredsställande. Vi har därför övervägt hur fenomenet tvåvägsinterferens kan bevisas baserat på detektering av en enda partikel."
Rotera neutronen
Detta möjliggjordes med hjälp av neutroner vid neutronkällan till ILL i Grenoble:Neutronerna skickas till en kristall som delar upp neutronens kvantvåg i två partiella vågor, mycket likt det klassiska dubbelslitsexperimentet. De två partiella neutronvågorna rör sig längs två olika banor och rekombineras igen. De stör och mäts sedan.
Dessutom utnyttjas emellertid en annan egenskap hos neutronen:dess spinn – partikelns rörelsemängd. Det kan påverkas av magnetfält, neutronens rörelsemängd pekar då i en annan riktning. Om neutronens spinn roteras på endast en av de två banorna är det möjligt att i efterhand avgöra vilken väg den har tagit. Men interferensmönstret försvinner då också, som en konsekvens av komplementaritet i kvantmekaniken.
"Vi roterar därför neutronens snurr bara lite", förklarar Hartmut Lemmel, den första författaren till den aktuella publikationen. "Då kvarstår interferensmönstret, eftersom man bara kan få väldigt lite information om vägen. För att ändå få exakt väginformation upprepas denna "svaga" mätning många gånger i konventionella experiment. Men man får då bara ett statistiskt påstående om hela ensemblen av neutroner och kan säga lite om varje enskild neutron."
Vända rotationen
Situationen är annorlunda om, efter att de två partiella neutronvågorna har fusionerats, ett annat magnetfält används för att vända spinn tillbaka igen. Genom försök och misstag bestämmer man den rotationsvinkel som är nödvändig för att vända snurrandet av det överlagrade tillståndet tillbaka till den ursprungliga riktningen. Styrkan i denna rotation är ett mått på hur starkt neutronen var närvarande i varje väg. Om den bara hade tagit den väg som snurran har roterats på, skulle hela rotationsvinkeln vara nödvändig för att rotera tillbaka den. Om den bara hade tagit den andra vägen skulle det inte behövas någon omvänd rotation alls. I experimentet som utfördes med en speciell asymmetrisk stråldelare visades det att neutronerna var närvarande till en tredjedel i en väg och till två tredjedelar i den andra.
Genom detaljerade beräkningar kunde teamet visa:Här detekterar man inte bara ett medelvärde över helheten av alla uppmätta neutroner, utan påståendet gäller för varje enskild neutron. Det krävs många neutroner för att bestämma den optimala rotationsvinkeln, men så snart denna är inställd gäller den vägnärvaro som bestäms från den för varje enskild neutron som detekteras.
"Våra mätresultat stödjer klassisk kvantteori", säger Stephan Sponar. "Nyheten är att man inte behöver ta till otillfredsställande statistiska argument:När man mäter en enskild partikel visar vårt experiment att den måste ha tagit två vägar samtidigt och kvantifierar respektive proportioner entydigt." Detta utesluter alternativa tolkningar av kvantmekanik som försöker förklara dubbelslitsexperimentet med lokaliserade partiklar. + Utforska vidare
