Schematiska kretsar av kvantstyrda interferometrar. De blå rutorna representerar enhetliga operationer som här spelar rollen som superpositionsanordningar - kvantnätverksekvivalenten till en stråldelare. Med hjälp av en extra qubit i superposition (kvantkontrollsystem) implementerar vi den kvantumstyrda enhetliga superpositionsenheten (representerad av de röda rutorna). en originalversion av kvantfördröjt valexperiment, där den andra stråldelaren förbereds i en koherent överlagring av att vara in och ut ur interferometern (konfigurationer stängda respektive öppna). b Vårt förslag till ett kvantstyrt verklighetsexperiment. Här underkastas den första stråldelaren kvantkontroll. Även om mätresultaten ger samma synlighet i båda dessa experimentella arrangemang, är realismaspekterna inuti interferometern avgörande olika. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z
I en ny rapport som nu publicerats i Nature Communications Physics , Pedro R. Dieguez och ett internationellt team av forskare inom kvantteknologi, funktionella kvantsystem och kvantfysik, utvecklade ett nytt ramverk för operationella kriterier för fysisk verklighet. Detta försök underlättade deras förståelse av ett kvantsystem direkt via kvanttillståndet vid varje tidpunkt. Under arbetet etablerade teamet en länk mellan utdatasynlighet och delar av verkligheten inom en interferometer. Teamet tillhandahöll ett experimentellt proof-of-princip för ett två-spin-½-system i en interferometrisk uppställning inom en kärnmagnetisk resonansplattform. Resultaten validerade Bohrs ursprungliga formulering av komplementaritetsprincipen.
Fysik enligt Niels Bohr
Bohrs komplementaritetsprincip säger att materia och strålning kan underkastas ett förenande ramverk där antingen element kan uppträda som en våg eller en partikel, baserat på experimentupplägget. Enligt Bohrs naturfilosofi diskuteras karaktären av individualitet hos kvantsystem i förhållande till det bestämda arrangemanget av hela experiment. För nästan ett decennium sedan designade fysiker ett kvantfördröjt valexperiment (QDCE), med en stråldelare i rumslig kvantsuperposition för att göra interferometern till en "stängd + öppen" konfiguration, medan systemet representerade ett hybridtillstånd "våg + partikel". . Forskare hade tidigare kopplat ett målsystem till en kvantregulator och testat dessa idéer för att visa hur fotoner kan uppvisa vågliknande eller partikelliknande beteenden beroende på den experimentella tekniken som används för att mäta dem. Baserat på förmågan att smidigt interpolera statistiken mellan ett våg- och partikelliknande mönster, föreslog fysiker manifestationen av morphingbeteenden i samma system; hävdar en radikal revidering av Bohrs komplementaritetsprincip.
Våg- och partikelrealism som en funktion av synligheten. De gröna diamanterna och mörkröda trianglarna är den uppmätta RW (vågrealism) respektive RP (partikelrealism), inuti interferometern med arrangemanget (experiment med kvantfördröjt val). De blå rutorna och röda cirklarna är den uppmätta RW respektive RP inuti interferometern (kvantkontrollerat verklighetsexperiment). Symbolerna representerar experimentresultaten och de streckade linjerna är numeriska beräkningar som simulerar pulssekvenserna i det initiala experimentella tillståndet. Data parametriseras av synligheten i slutet av interferometern. Felstaplarna uppskattades via Monte Carlo-utbredning. Felstaplarna för data representerade som gröna diamanter är mindre än symbolerna. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z
Till en början antog Dieguez et al en operativ kvantifierare av realism beroende på kvanttillståndet för att tillåta meningsfulla vilka-vägsuttalanden. De visade också att det inte fanns några samband mellan synlighet vid utgången med våg- och partikelelement, relativt det antagna kriteriet realism. Forskarna föreslog en uppsättning för att etablera en koppling mellan verklighetens synlighet och vågelement inom interferometern och visade relevansen av kvantkorrelationer för våg-partikeldualitet, följt av kärnmagnetisk resonans för experimentell granskning för att argumentera för hur resultaten upprepade Bohrs ursprungliga åsikter .
Kontextuell realism i kvantfördröjda valexperimentet (QDCE)
Dieguez et al omvärderade QDCE (quantum delayed-choice experiment) via verklighetens element i det nuvarande experimentella systemet. För att åstadkomma detta lade de till en qubit som ett partikelliknande tillstånd efter att ha passerat den första superpositionsanordningen eller stråldelaren, och fasskiftaren i experimentuppställningen, för att implementera en relativ fas mellan de vägar som qubiten färdades. Teamet aktiverade sedan den slutliga superpositionsenheten för att notera omvandlingen av tillståndet till ett vågliknande tillstånd. Baserat på statistiken vid utgången av kretsen, slutade de sig till vägen som qubiten färdades i interferometern. För att ytterligare förstå processen, beräknade de realismen i kretsen och föreslog ett ramverk för att diskutera verklighetens element för våg-partikelbeteendet i en kvantstyrd interferensenhet. Resultaten visade hur så kallade partikelliknande tillstånd motsvarade en vågverklighet. Som ett resultat noterade de hur qubiten alltid betedde sig som en våg inuti interferometern i ett experimentellt tillvägagångssätt, för att demonstrera hur den fysiska verkligheten kan bestämmas av kvanttillståndet vid varje ögonblick.
Sannolikhetsmönster i slutet av interferometern (p0) som funktion av interferensparametern (α) och fasskiftaren (θ). (a) För kvantstyrt scenario med fördröjt val. (b) För kvantstyrd realismscenario. (c) Interferometerns synlighet (V) i det kvantstyrda realismscenariot. Symbolerna representerar de experimentella resultaten och de (heldragna och streckade) linjerna numeriska simuleringarna. Felstaplarna uppskattades via Monte Carlo-utbredning. I panelerna a, b är felfältet mindre än symbolerna. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z
Teamet föreslog sedan ett experiment för att lösa befintliga problem i den föregående experimentella uppsättningen och för att effektivt överlagra våg- och partikelelement i verkligheten. De beräknade tillstånden för hela systemet, när qubits färdades inuti interferometern direkt efter fasskiftet. Interferensanordningen placerade qubiten i en överlagring av banor för att antyda en vågverklighet. När Dieguez et al inaktiverade den kontrollerade störningsenheten i den nya QCRE-uppställningen fortsatte qubiten att resa sin ursprungliga väg som en partikel för att visa en nyckelskillnad mot den ursprungliga QDCE-inställningen. I motsats till QDCE noterade fysikerna en strikt likvärdighet mellan utdatastatistiken och det vågliknande beteendet inuti interferometern. Resultaten bekräftade Bohrs ursprungliga formulering av komplementaritetsprincipen.
Pulssekvens för initialtillståndsberedning. De blå (orange) rutorna representerar x (y) lokala rotationer med de vinklar som anges inuti. Dessa rotationer produceras av en transversell rf-fältresonant med antingen 1H eller 13C kärnor, med fas, amplitud och tidslängd korrekt justerade. De svarta streckade rutorna med anslutningar representerar utvecklingen av fritiden under den skalära kopplingen av båda snurren. Rutorna med en grå gradient representerar magnetfältsgradienter, med longitudinella orienteringar i linje med spektrometerns cylindriska symmetriaxel. Alla kontrollparametrar är optimerade för att bygga ett initialt pseudorent tillstånd motsvarande ρ=|00⟩⟨00| med hög kvalitet (≿0,99). Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z
Bevis på principen
Forskarna implementerade sedan dessa idéer i ett proof-of-principe-experiment med användning av en kärnmagnetisk resonans (NMR)-uppsättning i flytande tillstånd med två spin ½ qubits kodade i ett prov på 13- C-märkt kloroform utspädd i aceton-d6. De utförde experimenten i en Varian 500 MHz-spektrometer och använde 13 C kärnspinn för att undersöka realismen och våg- och partikelegenskaperna hos 1 H kärnspinn, som omfattade de interferometriska banorna. Av de fyra kärnisotoperna 1 H, 13 C, 35 Cl och 37 Cl tillgänglig, laget reglerade bara 1 H och 13 C kärnor. Teamet utförde cellspin ½ kvantkontrollerade interferometriska protokoll med användning av kombinationer av transversella radiofrekvenspulser på resonans med var och en av kärnorna, för att observera det interferometriska mönstret.
Pulssekvenser för de två interferometriska scenarierna. (a) Sekvens för den ursprungliga versionen av quantum delayed-choice experiment (QDCE). För optimeringens skull implementerades den första superpositionsoperationen och fasskiftaren med två rotationer (rotationer θ och −π2). Den kvantstyrda interferensen utfördes med hjälp av lokala operationer på systemet (1H) och på styrenheten (13C), såväl som två fria evolutioner under den skalära kopplingen. (b) Pulssekvens för det kvantkontrollerade verklighetsexperimentet (QCRE), där den kvantkontrollerade interferensen uppträder som den första operationen följt av fasskiftaren och interferensoperationen. De mest relevanta bidragen till den totala tidslängden för varje experiment är den fria utvecklingen, så båda pulssekvenserna varar ungefär samma tid (≈14 ms). Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z
Outlook
På detta sätt använde Pedro R. Dieguez och kollegor våg- och partikeltermer för att diskutera beteendet hos ett kvantsystem som korsar en dubbelvägsuppsättning för att producera några signaler och statistik i utsignalen. I quantum delayed-choice-experimentet (QDCE) noterade forskarna hur utdatasynligheten inte berättade en specifik historia om qubit-beteende inuti kretsen. Teamet introducerade sedan ett kvantkontrollerat verklighetsexperiment (QCRE) – ett arrangemang där den ursprungliga bildningen av Bohrs komplementaritetsprincip kunde ges, där till skillnad från med QDCE, med hjälp av QCRE, Dieguez et al reglerade vågpartikelelementen i verkligheten, för att visa möjligheten av våg- och partikelöverlagring i uppställningen för att manifestera "förvandlande realiteter". Forskningen lyfte fram komplementaritetsprincipens roll för att förvandla verklighetstillstånd i ett kvantstyrt system för att ge nya insikter om karaktären av kvantkausalitet, referensramar och realistiska aspekter av våg- och partikelegenskaper kopplade till kvantsystem. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
