Kernspintomografie is een toepassing in de geneeskunde. De patiënt absorbeert en zendt elektromagnetische straling in alle richtingen opnieuw uit, die wordt gedetecteerd en gereconstrueerd als 3D-beelden of 2D-plakbeelden. In een fundamenteel wetenschappelijk laboratorium, kwantumtoestandtomografie is het proces van het volledig karakteriseren van de kwantumtoestand van een object zoals het wordt uitgezonden door zijn bron, voordat een eventuele meting of interactie met de omgeving plaatsvindt.

Deze techniek is een essentieel hulpmiddel geworden in het opkomende gebied van kwantumtechnologieën. Het theoretische raamwerk van kwantumtoestandtomografie dateert uit de jaren zeventig. De experimentele implementaties ervan worden tegenwoordig routinematig uitgevoerd in een grote verscheidenheid aan kwantumsystemen. Het basisprincipe van kwantumtoestandtomografie is het herhaaldelijk uitvoeren van metingen vanuit verschillende ruimtelijke richtingen op kwantumsystemen om de kwantumtoestand van het systeem op unieke wijze te identificeren. Dit vereist veel computationele nabewerking van de gemeten gegevens om de initiële kwantumtoestand af te leiden uit de waargenomen meetresultaten.

Bijgevolg, in 2011, een roman, Er werd een meer directe tomografische methode ontwikkeld om de kwantumtoestand te bepalen zonder dat er nabewerking nodig was. Echter, die nieuwe methode had een groot nadeel:het maakt gebruik van minimaal storende metingen, zogenaamde zwakke metingen, om de kwantumtoestand van het systeem te bepalen. Het basisidee achter zwakke metingen is het verkrijgen van zeer weinig informatie over het waargenomen systeem door de verstoring van het meetproces verwaarloosbaar te houden. Gebruikelijk, een meting doen heeft een enorme impact op een kwantumsysteem, waardoor kwantumverschijnselen zoals verstrengeling of interferentie onherstelbaar verdwijnen.

Aangezien de hoeveelheid informatie die via deze procedure wordt verkregen erg klein is, de metingen moeten meerdere keren worden herhaald - een groot nadeel van deze meetprocedure in praktische toepassingen. Een onderzoeksteam van het Institute of Atomic and Subatomic Physics van de TU Wien onder leiding van Stephan Sponar is erin geslaagd om deze twee methoden te combineren. "We hebben de gevestigde methode verder kunnen ontwikkelen, zodat de behoefte aan zwakke metingen overbodig wordt. we waren in staat om de gebruikelijke, zogenaamde sterke metingen, in de directe meetprocedure van de kwantumtoestand. Bijgevolg, het is mogelijk om de kwantumtoestand met hogere precisie en nauwkeurigheid te bepalen in een veel kortere tijd in vergelijking met de benadering met zwakke metingen - een enorme vooruitgang, ", legt Tobias Denkmayr, de eerste auteur van het artikel, uit. Deze resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Neutroneninterferometrie - de nieuwe voorkeursmethode

Een experimentele test van het nieuwe schema in een neutroneninterferometrisch experiment werd uitgevoerd door Sponar en zijn team. Het is gebaseerd op het golfkarakter van neutronen, die enorme nucleaire bestanddelen zijn die bijna tweederde van het universum vormen. Hoe dan ook, als ze geïsoleerd zijn van de atoomkern, bijvoorbeeld in het splijtingsproces van een onderzoeksreactor - ze gedragen zich als golven. Dit fenomeen wordt gewoonlijk golf-deeltjesdualiteit genoemd, die wordt uitgelegd in het kader van de kwantummechanica. In de interferometer, een invallende bundel wordt in twee afzonderlijke bundels gesplitst door een dunne, perfecte siliciumkristalplaat. De stralen reizen langs verschillende paden in de ruimte, en op een gegeven moment worden ze opnieuw gecombineerd en mogen ze interfereren. Het experiment werd gedaan bij de neutronenbron van het Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, waar de groep van het Instituut voor Atoom- en Subatomaire Fysica verantwoordelijk is voor een permanente straalpoort.

Het is belangrijk op te merken dat de resultaten niet beperkt zijn tot het kwantumsysteem gevormd door enkele neutronen, Maar zijn, in feite, volkomen algemeen. Daarom, ze kunnen worden toegepast op veel andere kwantumsystemen zoals fotonen, gevangen ionen of supergeleidende qubits. De resultaten kunnen een grote impact hebben op hoe de schatting van kwantumtoestanden in de toekomst wordt uitgevoerd en kunnen worden benut in de snel evoluerende technologieën die worden toegepast in de kwantuminformatiewetenschap.