Ons begrip van de wereld is grotendeels gebaseerd op basispercepties, zoals dat gebeurtenissen elkaar opvolgen in een welbepaalde volgorde. Dergelijke definitieve orders zijn vereist in de macroscopische wereld, waarvoor de wetten van de klassieke natuurkunde gelden. Het huidige werk van een team van natuurkundigen van de Universiteit van Wenen is de eerste experimentele kwantificering van een dergelijke superpositie. Het zal worden gepubliceerd in een volgend nummer van wetenschappelijke vooruitgang .

Bij het beschrijven van de natuur met behulp van natuurkundige wetten, wetenschappers gaan vaak uit van alledaagse ervaringen. Echter, onze gebruikelijke intuïtie is niet van toepassing op de kwantumwereld. Natuurkundigen hebben zich onlangs gerealiseerd dat de kwantumtheorie ons zelfs dwingt om aangeboren concepten in twijfel te trekken, zoals de volgorde waarin dingen gebeuren. Stel je voor, bijvoorbeeld, een race tussen twee vrienden, Alice en Bob. In het dagelijkse leven, de winnaar is de eerste die de finish passeert. Dus, gezond verstand zegt dat ofwel Alice wint, Bob wint, of ze binden. deze redenering, echter, is niet altijd van toepassing in de kwantumwereld. In feite, kwantummechanica stelt elke loper in staat om in één race te winnen en te verliezen:Alice zou zowel voor als na Bob de finish kunnen bereiken in kwantumsuperpositie. Echter, zelfs als we zo'n kwantumrace zouden houden, hoe konden we verifiëren dat beide racers in superpositie wonnen? Een deel van het probleem is dat de kwantummechanica zegt dat wanneer we de race observeren, het "instort". Dit betekent dat we alleen Alice de race zien winnen of verliezen:we kunnen de superpositie niet zien.

Getuige zijn van gecodeerde operaties

Een groep natuurkundigen onder leiding van Philip Walther van de Universiteit van Wenen heeft een nieuwe meting geïmplementeerd, een "oorzakelijke getuige" genoemd, waardoor ze Alice tegelijkertijd kunnen zien winnen en verliezen. Deze opwindende meettechniek is ontworpen door de theoriegroep van Caslav Brukner aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen. Formeel, een causale getuige is een wiskundig hulpmiddel om te bepalen of het mogelijk is om een ​​experiment te beschrijven zonder toevlucht te hoeven nemen tot gesuperponeerde orders. Met behulp van deze nieuwe tool, de natuurkundigen konden meer dan alleen Alice zien winnen en verliezen in superpositie:ze waren in staat om de mate te kwantificeren waarin de twee situaties feitelijk over elkaar heen waren geplaatst.

In plaats van een microscopische kwantumrace te houden, de wetenschappers legden de volgorde vast waarin twee kwantumbewerkingen op lichtdeeltjes inwerkten. In hun experiment hebben de natuurkundigen plaatsten fotonen - lichtdeeltjes - in een superpositie van twee verschillende paden. Elk pad werd vervolgens in verschillende volgorde door twee verschillende kwantumbewerkingen geleid. Hoewel het team in het verleden zo'n superpositie van orden van kwantumoperaties had gecreëerd, ze konden de superpositie voorheen alleen indirect verifiëren.

Om de causale getuige te implementeren, de natuurkundigen moesten een schema bedenken waarmee ze informatie uit een zeer kwetsbaar kwantumproces konden halen zonder het te vernietigen. Om dit te doen, ze gebruikten een ander kwantumsysteem om in wezen een vlag op te heffen wanneer het foton een van de kwantumbewerkingen passeerde. Hoewel dit het systeem nog steeds had kunnen doen instorten, de natuurkundigen vonden een nieuwe truc om het extra kwantumsysteem te meten terwijl de superpositie intact bleef. Hun nieuwe techniek stelde hen in staat om alleen informatie te extraheren over de algehele superpositie, en niet over de volgorde van bewerkingen. Uit die meetresultaten bevestigden ze dat de fotonen echt door beide kwantumbewerkingen waren gegaan in twee orden tegelijk.

Toekomstige implicaties

Het feit dat de volgorde van kwantumbewerkingen in kwantumsuperpositie kan worden geplaatst, opent een nieuwe speelplaats voor studies in de kwantummechanica. Aan de theoretische kant, dit blijkt al uit een groot aantal studies en voorstellen over de rol van "causale relaties" binnen de kwantummechanica. Echter, het vertalen van deze voorstellen in laboratoriumexperimenten is een uitdaging. "Onze experimentele demonstratie is een betekenisvolle stap voorwaarts op dit gebied, omdat het laat zien hoe informatie uit deze processen kan worden gehaald zonder hun kwantumkarakter te verstoren", zegt Giulia Rubino, hoofdauteur van de studie.

Het volgende doel van de groep is om nieuwe technologische ontwikkelingen te benutten om superposities van complexere processen te creëren. Zo krijgen ze dieper inzicht in het samenspel tussen causale relaties en kwantummechanica. Verder, het presenteert een interessante nieuwe route om taken te optimaliseren, zelfs buiten wat mogelijk is met standaard kwantumcomputers met een vaste volgorde van bewerkingen.