Quantum Cheshire cat-effekten har fått sitt namn från den fiktiva Cheshire Cat i historien om Alice i Underlandet. Den katten kunde försvinna och lämnade bara sitt leende kvar.
På liknande sätt hävdade forskare i en artikel från 2013 att kvantpartiklar kan separera från sina egenskaper, med egenskaperna som färdas längs vägar som partikeln inte kan. De döpte detta till kvanteffekten av Cheshire-katt. Forskare har sedan dess hävdat att de utökar detta ytterligare genom att byta okroppsliga egenskaper mellan partiklar, ta bort flera egenskaper samtidigt och till och med "separera våg-partikeldualiteten" hos en partikel.
Men nyligen publicerad forskning i New Journal of Physics , visar att dessa experiment faktiskt inte visar att partiklar splittras från sina egenskaper, utan istället visar ett annat kontraintuitivt drag hos kvantmekaniken – kontextualitet.
Kvantmekanik är studiet av ljusets och materiens beteende på atomär och subatomär skala. Till sin natur är kvantmekaniken kontraintuitiv. Forskargruppen satte sig för att i grunden förstå denna kontraintuitiva natur samtidigt som de utforskade praktiska fördelar.
"De flesta vet att kvantmekanik är konstigt, men att identifiera vad som orsakar denna konstighet är fortfarande ett aktivt forskningsområde. Det har långsamt formaliserats till en föreställning som kallas kontextualitet - att kvantsystem förändras beroende på vilka mätningar du gör på dem," sa Jonte Hance, en forskare vid Hiroshima University och University of Bristol.
En sekvens av mätningar på ett kvantsystem kommer att ge olika resultat beroende på i vilken ordning mätningarna görs. Om vi till exempel mäter var en partikel är och sedan hur snabbt den rör sig, kommer detta att ge andra resultat än att först mäta hur snabbt den färdas och sedan var den är.
På grund av denna kontextualitet kan kvantsystem mätas som att de har egenskaper som vi förväntar oss är ömsesidigt inkompatibla. "Men vi förstår fortfarande inte riktigt vad som orsakar detta, så det här är vad vi ville undersöka, genom att använda det paradoxala quantum Cheshire cat-scenariot som en testbädd", sa Hance.
Teamet noterar att problemet med Quantum Cheshire cat-paradoxen är att dess ursprungliga påstående, att partikeln och dess egenskaper, såsom spinn eller polarisering, separerar och färdas längs olika vägar, kanske en missvisande representation av den faktiska fysiken i situationen.
"Vi vill korrigera detta genom att visa att olika resultat erhålls om ett kvantsystem mäts på olika sätt och att den ursprungliga tolkningen av kvant-Cheshire-katten bara kommer till om man kombinerar resultaten av dessa olika mätningar på ett mycket specifikt sätt, och ignorera denna mätningsrelaterade förändring, säger Holger Hofmann, professor vid Hiroshima University.
Teamet analyserade Cheshire cat-protokollet genom att undersöka förhållandet mellan tre olika mätningar angående vägen och polariseringen av en foton inom kvant Cheshire cat-protokollet. Dessa skulle ha resulterat i en logisk motsägelse om systemet inte var kontextuellt.
Deras artikel diskuterar hur detta kontextuella beteende länkar till svaga värderingar och koherenserna mellan förbjudna stater. Deras arbete visade att i stället för att en egenskap hos partikeln som urkroppsligas, demonstrerar quantum Cheshire-katten effekterna av dessa koherenser, som vanligtvis finns i för- och efterutvalda system.
När vi ser framåt vill teamet utöka denna forskning, hitta ett sätt att förena paradoxala kvanteffekter som manifestationer av kontextualitet och förklara hur och varför mätningar förändrar kvantsystem.
"Detta kommer inte bara att hjälpa oss att äntligen förklara varför kvantmekaniken är så kontraintuitiv utan kommer också att hjälpa oss att utveckla sätt att använda denna konstighet för praktiska ändamål. Med tanke på att kontextualitet är naturligt kopplat till scenarier med en kvantfördel jämfört med klassiska lösningar på ett givet problem, endast genom att förstå kontextualitet kommer vi att kunna realisera den fulla potentialen hos till exempel kvantberäkning, säger Hance.
Mer information: Jonte R Hance et al, Contextuality, coherences, and quantum Cheshire cats, New Journal of Physics (2023). DOI:10.1088/1367-2630/ad0bd4
Tillhandahålls av Hiroshima University
