Cząstek kwantowych nie da się przecież oddzielić od ich właściwości

Kwantowy efekt Kota z Cheshire wywodzi swoją nazwę od baśni z Cheshire w Alicji w Krainie Czarów. Ten kot był w stanie zniknąć, nie pozostawiając po sobie nic poza swoim uśmiechem. Podobnie w artykule z 2013 roku badacze stwierdzili, że cząstki kwantowe są w stanie oddzielić się od swoich właściwości, a właściwości są przekazywane wzdłuż ścieżek, których cząstka nie jest w stanie. Nazwali to kwantowym efektem kota z Cheshire. Od tego czasu badacze twierdzili, że rozszerzyli to zagadnienie jeszcze bardziej, zamieniając bezcielesne właściwości między cząstkami, dekonstruując wiele właściwości na raz, a nawet „oddzielając dualizm falowo-cząsteczkowy” cząstki.

Jednak najnowsze badania, opublikowane w Nowy dziennik fizyki 17 listopada 2023 pokazuje, że eksperymenty te w rzeczywistości nie pokazują oddzielenia cząstek od ich właściwości, ale zamiast tego ukazują inną nieintuicyjną cechę mechaniki kwantowej – kontekstualizm.

Mechanika kwantowa to nauka o zachowaniu światła i materii w skali atomowej i subatomowej. Mechanika kwantowa ze swej natury nie jest intuicyjna. Zespół badawczy postanowił zrozumieć tę zasadniczo sprzeczną z intuicją naturę, jednocześnie badając praktyczne korzyści.

„Większość ludzi wie, że mechanika kwantowa jest dziwna, ale ustalenie, co powoduje tę dziwność, jest nadal aktywnym obszarem badań” – powiedział. „Powoli formułuje się ją w idei zwanej kontekstualizmem – że układy kwantowe zmieniają się w zależności od pomiarów na nich narobisz.” Jonty’ego Hance’apracownik naukowy na Uniwersytecie w Hiroszimie i Uniwersytecie w Bristolu.

Kolejność pomiarów w układzie kwantowym da różne wyniki w zależności od kolejności dokonywania pomiarów. Na przykład, jeśli zmierzymy, gdzie znajduje się cząstka i jak szybko się porusza, różne wyniki uzyskamy, mierząc najpierw, jak szybko się porusza, a następnie gdzie się znajduje. W tym kontekście systemy kwantowe można mierzyć jako posiadające właściwości, które, jak się spodziewamy, będą ze sobą niezgodne. „Jednak nadal nie rozumiemy, dlaczego tak jest, dlatego chcieliśmy to zbadać, wykorzystując paradoksalny scenariusz kwantowego kota z Cheshire jako stanowisko testowe” – powiedział Hanes.

Zespół zauważa, że ​​problem z kwantowym paradoksem Kota z Cheshire polega na tym, że jego pierwotne twierdzenie, że cząstka i jej właściwości, takie jak spin czy polaryzacja, oddzielają się i podróżują różnymi ścieżkami, może być mylącą reprezentacją rzeczywistej fizyki sytuacja. . „Chcemy to skorygować, pokazując, że różne wyniki uzyskuje się, jeśli system kwantowy jest mierzony na różne sposoby, i że pierwotna interpretacja kwantowego przyciągania Cheshire pojawia się tylko wtedy, gdy połączy się wyniki tych różnych pomiarów w bardzo specyficzny sposób i zignoruj ​​​​tę zmianę związaną z pomiarami” – powiedział. Holgera Hoffmannaprofesor na Uniwersytecie w Hiroszimie.

Zespół przeanalizował protokół kota z Cheshire, badając związek między trzema różnymi pomiarami dotyczącymi ścieżki i polaryzacji fotonu w ramach kwantowego protokołu kota z Cheshire. Gdyby system nie był kontekstowy, doprowadziłoby to do logicznej sprzeczności. W ich artykule omówiono, jak to kontekstowe zachowanie odnosi się do słabych wartości i spójności między zablokowanymi stanami. Dzięki swojej pracy pokazują, że kwantowy kot z Cheshire zamiast właściwości cząstki uwalnianej z ciała wyjaśnia skutki tych koherencji, które zwykle występują w układach wstępnie i po selekcji.

Patrząc w przyszłość, zespół chce rozszerzyć te badania, znaleźć sposób na ujednolicenie sprzecznych efektów kwantowych jako aspektów kontekstu oraz raz na zawsze wyjaśnić, w jaki sposób i dlaczego pomiary zmieniają systemy kwantowe. „To nie tylko pomoże nam wyjaśnić, dlaczego mechanika kwantowa jest tak sprzeczna z intuicją, ale także pomoże nam opracować sposoby wykorzystania tej osobliwości do celów praktycznych. Biorąc pod uwagę kontekst nierozerwalnie powiązany ze scenariuszami, w których istnieje przewaga kwantowa nad klasyczną rozwiązań danego problemu” – powiedział Hans. „Jeśli istnieje problem… „Tylko poprzez zrozumienie kontekstu będziemy w stanie na przykład wykorzystać pełny potencjał obliczeń kwantowych”.

W skład zespołu badawczego wchodzą Jonte R. Hance, Ming Jie i Holger F. Hoffmann z Absolwent Szkoły Zaawansowanych Nauk i Inżynierii,Uniwersytet w Hiroszimie. Hans jest także pracownikiem naukowym na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Elektronicznej Uniwersytetu w Bristolu.

Badania zostały sfinansowane przez stypendium podoktoranckie Phoenix na Uniwersytecie w Hiroszimie, grant EPSRC DTP na Uniwersytecie York, Centrum Komunikacji Kwantowej finansowane przez EPSRC oraz grant JST SPRING.