Экспериментальная оценка физической реальности в квантово-регулируемом устройстве
В новом отчете, опубликованном в Nature Communications Physics, Педро Р. Диегес и международная группа ученых в области квантовых технологий, функциональных квантовых систем и квантовой физики разработали новую основу оперативного критерия физической реальности. Эта попытка облегчила им понимание квантовой системы непосредственно через квантовое состояние в каждый момент времени.
Принципиальные схемы квантово-управляемых интерферометров. Синие прямоугольники представляют собой унитарные операции, которые здесь играют роль устройств суперпозиции — квантового сетевого эквивалента светоделителя. Используя вспомогательный кубит в суперпозиции (система квантового управления), мы реализуем унитарное устройство суперпозиции с квантовым управлением (обозначено красными прямоугольниками). Оригинальная версия квантового эксперимента с отложенным выбором, где второй светоделитель готовится в когерентной суперпозиции нахождения внутри и вне интерферометра (конфигурации закрытая и открытая соответственно). b Наше предложение по эксперименту с квантовой управляемой реальностью. Здесь первый светоделитель подвергается квантовому управлению. Хотя результаты измерений дают одинаковую видимость в обоих этих экспериментальных схемах, аспекты реализма внутри интерферометра кардинально отличаются. Кредит:Физика связи (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00828-z
В ходе работы команда установила связь между выходной видимостью и элементами реальности внутри интерферометра. Команда представила экспериментальное доказательство принципа действия системы с двумя спинами ½ в интерферометрической установке на платформе ядерного магнитного резонанса. Результаты подтвердили первоначальную формулировку Бором принципа дополнительности.
Физика по Нильсу Бору
Принцип дополнительности Бора гласит, что материя и излучение могут быть объединены в единую структуру, в которой любой элемент может вести себя как волна или частица в зависимости от экспериментальной установки. Согласно натурфилософии Бора , природа индивидуальности квантовых систем обсуждается относительно определенного устройства целых экспериментов. Почти десять лет назад физики разработали квантовый эксперимент с отложенным выбором (QDCE) с разделителем луча в пространственной квантовой суперпозиции, чтобы интерферометр имел конфигурацию «закрыто + открыто», в то время как система представляла собой гибридное состояние «волна + частица». .фотоны могут проявлять поведение, подобное волнам или частицам, в зависимости от экспериментальной техники, используемой для их измерения. Основываясь на способности плавно интерполировать статистику между волновым и корпускулярным паттерном, физики предположили, что в одной и той же системе может проявляться поведение морфинга; заявляя о радикальном пересмотре принципа дополнительности Бора.
Волновой и корпускулярный реализм как функция видимости. Зеленые ромбы и темно-красные треугольники — это измеренные RW (волновой реализм) и RP (реализм частиц) соответственно внутри интерферометра с устройством (квантовый эксперимент с отложенным выбором). Синие квадраты и красные кружки — это измеренные RW и RP, соответственно, внутри интерферометра (эксперимент реальности с квантовым управлением). Символы представляют экспериментальные результаты, а пунктирные линии представляют собой численные расчеты, моделирующие последовательности импульсов в начальном экспериментальном состоянии. Данные параметризуются видимостью на конце интерферометра. Планки погрешностей были оценены с помощью распространения методом Монте-Карло. Столбики погрешностей для данных, представленных зелеными ромбами, меньше символов. Кредит: Физика связи(2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00828-z
Стратегия
Сначала Диегес и его коллеги приняли операционный квантификатор реализма в зависимости от квантового состояния, чтобы сделать возможными содержательные утверждения о том, какой путь. Они также показали отсутствие связи видимости на выходе с волновыми и корпускулярными элементами относительно принятого критерия реалистичности. Ученые предложили установку для установления связи между видимостью и волновыми элементами реальности в интерферометре и показали значимость квантовых корреляций для корпускулярно-волнового дуализма, а затем ядерно-магнитный резонанс для экспериментальной проверки, чтобы доказать, как результаты повторяют исходные взгляды Бора.
Контекстный реализм в квантовом эксперименте с отложенным выбором (QDCE)
Dieguez et al переоценили QDCE (квантовый эксперимент с отложенным выбором) через элементы реальности в настоящей экспериментальной системе. Для этого они добавили кубит в состояние, подобное частице, после прохождения первого устройства суперпозиции или светоделителя, а также фазовращатель в экспериментальной установке, чтобы реализовать относительную фазу между путями, пройденными кубитом .. Затем команда активировала окончательное устройство суперпозиции, чтобы отметить преобразование состояния в волнообразное состояние. Основываясь на статистике на выходе схемы, они сделали вывод о пути, который прошел кубит в интерферометре. Чтобы лучше понять процесс, они рассчитали реалистичность схемы и предложили структуру для обсуждения элементов реальности поведения волновых частиц в интерференционном устройстве с квантовым управлением. Результаты показали, как так называемые корпускулярные состояния соответствуют волновой реальности. В результате они отметили, что кубит всегда вел себя как волна внутри интерферометра в экспериментальном подходе, чтобы продемонстрировать, как физическая реальность может определяться квантовым состоянием в каждый момент времени.
Вероятностная картина на конце интерферометра (p0) как функция интерференционного параметра (α) и фазовращателя (θ). (a) Для сценария отложенного выбора с квантовым управлением. (b) Для сценария квантового управляемого реализма. (c) Видимость (V) интерферометра в сценарии квантового управляемого реализма. Символы представляют экспериментальные результаты и (сплошные и пунктирные) линии численного моделирования. Планки погрешностей были оценены с помощью распространения методом Монте-Карло. На панелях а, б полоса погрешности меньше символов. Авторы и права: Физика коммуникаций (2022 г.). DOI: 10.1038/s42005-022-00828-z
Эксперимент с квантово-управляемой реальностью (QCRE)
Затем команда предложила эксперимент, чтобы решить существующие проблемы предыдущей экспериментальной установки и эффективно наложить волновые и корпускулярные элементы реальности. Они рассчитали состояния всей системы, когда кубиты путешествовали внутри интерферометра сразу после фазового сдвига. Интерференционное устройство поместило кубит в суперпозицию путей, чтобы создать волновую реальность. Когда Диегес и др. деактивировали управляемое интерференционное устройство в новой установке QCRE, кубит продолжал двигаться по своему первоначальному пути как частица, чтобы показать ключевое отличие от исходной установки QDCE. В отличие от QDCE, физики отметили строгую эквивалентность между выходной статистикой и волновым поведением внутри интерферометра . Результаты подтвердили первоначальную формулировку Бором принципа дополнительности.
Последовательность импульсов для подготовки к начальному состоянию. Синие (оранжевые) прямоугольники представляют собой локальные повороты x (y) на углы, указанные внутри. Эти вращения производятся поперечным радиочастотным полем, резонансным с ядрами 1H или 13C, с должным образом отрегулированными фазой, амплитудой и временной продолжительностью. Черные пунктирные прямоугольники со связями представляют эволюцию в свободное время при скалярной связи обоих спинов. Прямоугольники с серым градиентом представляют собой градиенты магнитного поля с продольной ориентацией, совмещенной с цилиндрической осью симметрии спектрометра. Все параметры управления оптимизированы для построения начального псевдочистого состояния, эквивалентного ρ=|00⟩⟨00| с высокой точностью (≿0,99). Авторы и права: Физика коммуникаций (2022 г.). DOI: 10.1038/s42005-022-00828-z
Доказательство принципа
Затем ученые реализовали эти идеи в экспериментальном эксперименте с использованием установки жидкостного ядерного магнитного резонанса (ЯМР) с двумя кубитами со спином ½, закодированными в образце меченного 13 - C хлороформа, разведенного в ацетоне-d6 . Они провели эксперименты на спектрометре Varian 500 МГц и использовали ядерный спин 13 C для исследования реализма, а также волновых и корпускулярных характеристик ядерного спина 1 H, которые охватывают интерферометрические пути. Из четырех доступных изотопов ядер 1 H, 13 C, 35 Cl и 37 Cl команда регулировала только 1 H и 13 .ядра С. Команда выполнила интерферометрические протоколы с квантовым управлением спином клетки ½, используя комбинации поперечных радиочастотных импульсов в резонансе с каждым из ядер, чтобы наблюдать интерферометрическую картину.
Последовательности импульсов для двух интерферометрических сценариев. ( а ) Последовательность исходной версии квантового эксперимента с отложенным выбором (QDCE). В целях оптимизации первая операция суперпозиции и фазовращатель были реализованы двумя поворотами (поворотами θ и −π2). Квантово-управляемая интерференция осуществлялась с использованием локальных операций над системой (1Н) и на контроллере (13С), а также двух свободных эволюций при скалярной связи. (b) Последовательность импульсов для квантово-управляемого эксперимента с реальностью (QCRE), где квантово-управляемая интерференция появляется как первая операция, за которой следуют фазовращатель и операция интерференции. Наиболее важным вкладом в общую продолжительность каждого эксперимента является свободное развитие, поэтому обе последовательности импульсов длятся примерно одинаковое время (≈14 мс). Кредит:Физика связи (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00828-z
Перспектива
Таким образом, Педро Р. Диегес и его коллеги использовали термины «волна» и «частица» для обсуждения поведения квантовой системы, пересекающей установку с двойным путем, чтобы получить на выходе некоторые сигналы и статистику. В квантовом эксперименте с отложенным выбором (QDCE) ученые отметили, что видимость вывода не рассказывает конкретной истории о поведении кубита внутри схемы. Затем команда представила эксперимент с квантово-управляемой реальностью (QCRE) - схему, в которой можно было позволить первоначальное формирование принципа дополнительности Бора, где, в отличие от QDCE, используя QCRE, Диегес и др. Регулировали элементы реальности волновых частиц, чтобы показать возможность суперпозиции волн и частиц в установке для проявления «трансформирующихся реальностей».
