Circuiti schematici di interferometri a controllo quantistico. Le caselle blu rappresentano operazioni unitarie che qui svolgono il ruolo di dispositivi di sovrapposizione, l'equivalente di rete quantistica di un divisore di fascio. Utilizzando un qubit ausiliario in sovrapposizione (sistema di controllo quantistico), implementiamo il dispositivo di sovrapposizione unitaria quantisticamente controllato (rappresentato dalle caselle rosse). una versione originale dell'esperimento a scelta ritardata quantistica, in cui il secondo divisore di fascio è preparato in una sovrapposizione coerente di essere dentro e fuori dall'interferometro (configurazioni rispettivamente chiuse e aperte). b La nostra proposta per un esperimento di realtà quantistica controllata. Qui, il primo divisore di fascio viene sottoposto al controllo quantistico. Sebbene i risultati della misurazione diano la stessa visibilità in entrambe queste disposizioni sperimentali, gli aspetti di realismo all'interno dell'interferometro sono sostanzialmente diversi. Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Nature Communications Physics , Pedro R. Dieguez e un team internazionale di scienziati nelle tecnologie quantistiche, nei sistemi quantistici funzionali e nella fisica quantistica, hanno sviluppato una nuova struttura di criteri operativi per la realtà fisica. Questo tentativo ha facilitato la loro comprensione di un sistema quantistico direttamente tramite lo stato quantistico in ogni istanza di tempo. Durante il lavoro, il team ha stabilito un collegamento tra la visibilità dell'output e gli elementi della realtà all'interno di un interferometro. Il team ha fornito una prova di principio sperimentale per un sistema a due spin ½ in una configurazione interferometrica all'interno di una piattaforma di risonanza magnetica nucleare. I risultati hanno convalidato la formulazione originale di Bohr del principio di complementarità.
La fisica secondo Niels Bohr
Il principio di complementarità di Bohr afferma che la materia e la radiazione possono essere sottoposte a una struttura unificante in cui uno degli elementi può comportarsi come un'onda o una particella, in base alla configurazione sperimentale. Secondo la filosofia naturale di Bohr, la natura dell'individualità dei sistemi quantistici viene discussa in relazione alla disposizione definita di interi esperimenti. Quasi un decennio fa, i fisici hanno progettato un esperimento di scelta ritardata quantistica (QDCE), con un divisore di raggio in sovrapposizione quantistica spaziale per rendere l'interferometro in una configurazione "chiuso + aperto", mentre il sistema rappresentava uno stato ibrido "onda + particella" . I ricercatori avevano precedentemente accoppiato un sistema target a un regolatore quantistico e testato queste idee per mostrare come i fotoni possono mostrare comportamenti simili a onde o particelle a seconda della tecnica sperimentale utilizzata per misurarli. Sulla base della capacità di interpolare senza problemi le statistiche tra un modello ondulatorio e particellare, i fisici hanno suggerito la manifestazione di comportamenti di morphing nello stesso sistema; rivendicando una revisione radicale del principio di complementarità di Bohr.
Realismo di Onde e Particelle in funzione della Visibilità. I diamanti verdi e i triangoli rosso scuro sono rispettivamente RW (realismo d'onda) e RP (realismo particellare) misurati all'interno dell'interferometro con la disposizione (esperimento a scelta ritardata quantistica). I quadrati blu e i cerchi rossi sono rispettivamente RW e RP misurati all'interno dell'interferometro (esperimento di realtà quantistica). I simboli rappresentano i risultati sperimentali e le linee tratteggiate sono calcoli numerici che simulano le sequenze di impulsi sullo stato sperimentale iniziale. I dati sono parametrizzati dalla visibilità alla fine dell'interferometro. Le barre di errore sono state stimate tramite la propagazione Monte Carlo. Le barre di errore per i dati rappresentati come rombi verdi sono più piccole dei simboli. Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z
All'inizio, Dieguez et al hanno adottato un quantificatore operativo del realismo che dipende dallo stato quantistico per consentire affermazioni significative del percorso. Hanno anche mostrato che non c'erano connessioni tra la visibilità in uscita con elementi ondulatori e particellari, rispetto al criterio di realismo adottato. Gli scienziati hanno proposto una configurazione per stabilire un collegamento tra la visibilità e gli elementi ondulatori della realtà all'interno dell'interferometro e hanno mostrato la rilevanza delle correlazioni quantistiche per la dualità onda-particella, seguita dalla risonanza magnetica nucleare per un esame sperimentale per discutere come i risultati hanno ribadito le opinioni originali di Bohr .
Realismo contestuale nell'esperimento a scelta ritardata quantistica (QDCE)
Dieguez et al hanno rivalutato il QDCE (esperimento a scelta ritardata quantistica) attraverso gli elementi della realtà nell'attuale sistema sperimentale. Per ottenere ciò, hanno aggiunto un qubit come stato simile a una particella dopo aver superato il primo dispositivo di sovrapposizione o divisore di fascio e lo sfasatore nella configurazione sperimentale, per implementare una fase relativa tra i percorsi percorsi dal qubit. Il team ha quindi attivato il dispositivo di sovrapposizione finale per notare la trasformazione dello stato in uno stato ondulatorio. Sulla base delle statistiche all'uscita del circuito, hanno dedotto il percorso che il qubit ha percorso nell'interferometro. Per comprendere ulteriormente il processo, hanno calcolato il realismo nel circuito e hanno proposto una struttura per discutere gli elementi della realtà per il comportamento onda-particella in un dispositivo di interferenza a controllo quantistico. I risultati hanno indicato come i cosiddetti stati particellari corrispondessero a una realtà ondulatoria. Di conseguenza, hanno notato come il qubit si sia sempre comportato come un'onda all'interno dell'interferometro in un approccio sperimentale, per dimostrare come la realtà fisica possa essere determinata dallo stato quantistico in ogni istante del tempo.
Schema di probabilità alla fine dell'interferometro (p0) in funzione del parametro di interferenza (α) e dello sfasatore (θ). (a) Per lo scenario a scelta ritardata con controllo quantistico. (b) Per lo scenario del realismo quantistico controllato. (c) Visibilità (V) dell'interferometro nello scenario del realismo quantistico. I simboli rappresentano i risultati sperimentali e le simulazioni numeriche a linee continue e tratteggiate. Le barre di errore sono state stimate tramite la propagazione Monte Carlo. Nei pannelli a, b, la barra di errore è più piccola dei simboli. Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z
Il team ha quindi proposto un esperimento per risolvere i problemi esistenti della precedente configurazione sperimentale e per sovrapporre efficacemente elementi di onde e particelle della realtà. Hanno calcolato gli stati dell'intero sistema, quando i qubit viaggiavano all'interno dell'interferometro subito dopo lo sfasamento. Il dispositivo di interferenza mette il qubit in una sovrapposizione di percorsi per implicare una realtà ondulatoria. Quando Dieguez et al hanno disattivato il dispositivo di interferenza controllata nella nuova configurazione QCRE, il qubit ha continuato a percorrere il suo percorso originale come particella per mostrare una differenza fondamentale rispetto alla configurazione QDCE originale. Contrariamente al QDCE, i fisici hanno notato una stretta equivalenza tra le statistiche di output e il comportamento ondulatorio all'interno dell'interferometro. I risultati hanno corroborato la formulazione originale di Bohr del principio di complementarità.
Sequenza di impulsi per la preparazione dello stato iniziale. Le caselle blu (arancione) rappresentano x (y) rotazioni locali degli angoli indicati all'interno. Queste rotazioni sono prodotte da un campo RF trasversale risonante con nuclei 1H o 13C, con fase, ampiezza e durata del tempo opportunamente regolate. Le caselle tratteggiate nere con le connessioni rappresentano l'evoluzione del tempo libero sotto l'accoppiamento scalare di entrambi gli spin. Le caselle con un gradiente grigio rappresentano gradienti di campo magnetico, con orientamenti longitudinali allineati con l'asse di simmetria cilindrica dello spettrometro. Tutti i parametri di controllo sono ottimizzati per costruire uno stato iniziale pseudo-puro equivalente a ρ=|00⟩⟨00| con alta fedeltà (≿0,99). Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z
Prova di principio
Gli scienziati hanno poi implementato queste idee in un esperimento di prova di principio utilizzando una configurazione di risonanza magnetica nucleare (NMR) a stato liquido con due spin ½ qubit codificati in un campione di 13- Cloroformio marcato con C diluito in acetone-d6. Hanno condotto gli esperimenti in uno spettrometro Varian 500 MHz e hanno utilizzato il 13 Spin nucleare C per indagare il realismo e le caratteristiche di onde e particelle di 1 Spin nucleare H, che comprendeva i percorsi interferometrici. Dei quattro nuclei isotopi 1 H, 13 C, 35 Cl e 37 Cl disponibile, la squadra ha regolato solo 1 H e 13 nuclei C. Il team ha eseguito protocolli interferometrici con controllo quantistico di spin cellulare ½ utilizzando combinazioni di impulsi a radiofrequenza trasversali sulla risonanza con ciascuno dei nuclei, per osservare il pattern interferometrico.
Sequenze di impulsi per i due scenari interferometrici. (a) Sequenza per la versione originale dell'esperimento a scelta ritardata quantistica (QDCE). Per motivi di ottimizzazione, la prima operazione di sovrapposizione e lo sfasamento sono stati implementati con due rotazioni (rotazioni θ e −π2). L'interferenza quantistica è stata eseguita utilizzando operazioni locali sul sistema (1H) e sul controller (13C), nonché due evoluzioni libere sotto l'accoppiamento scalare. (b) Sequenza di impulsi per l'esperimento di realtà controllata quantistica (QCRE), in cui l'interferenza controllata quantistica appare come la prima operazione seguita dallo sfasatore e dall'operazione di interferenza. I contributi più rilevanti alla durata totale di ogni esperimento sono l'evoluzione libera, quindi entrambe le sequenze di impulsi durano approssimativamente lo stesso tempo (≈14 ms). Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00828-z
Prospettiva
In questo modo, Pedro R. Dieguez e colleghi hanno utilizzato termini di onde e particelle per discutere il comportamento di un sistema quantistico che attraversa una configurazione a doppio percorso per produrre alcuni segnali e statistiche nell'output. Nell'esperimento a scelta ritardata quantistica (QDCE), gli scienziati hanno notato come la visibilità dell'output non raccontasse una storia specifica sul comportamento dei qubit all'interno del circuito. Il team ha quindi introdotto un esperimento di realtà controllata quantistica (QCRE), una disposizione in cui potrebbe essere fornita la formazione originale del principio di complementarità di Bohr, dove a differenza di QDCE, utilizzando il QCRE, Dieguez et al hanno regolato gli elementi delle particelle d'onda della realtà, per mostrare la possibilità di sovrapposizione di onde e particelle nella configurazione per manifestare "realtà in morphing". La ricerca ha evidenziato il ruolo del principio di complementarità per trasformare gli stati di realtà in un sistema quantistico controllato per fornire nuove conoscenze sulla natura della causalità quantistica, sui quadri di riferimento e sugli aspetti realistici delle proprietà delle onde e delle particelle legate ai sistemi quantistici. + Esplora ulteriormente
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