Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, de fundamentele onmogelijkheid om gelijktijdig eigenschappen zoals positie en momentum te meten, vormt de kern van de kwantumtheorie. Natuurkundigen van ETH Zürich hebben nu een elegante manier aangetoond om deze intrinsieke onverenigbaarheid te verminderen met behulp van een mechanische oscillator gevormd door een enkel gevangen ion, het openen van een route voor zowel fundamentele studies als praktische toepassingen.

Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg stelt dat er een fundamentele grens is aan de precisie waarmee zogenaamde complementaire variabelen, zoals positie en momentum, kan worden gemeten. Dat is, hoe nauwkeuriger de snelheid en richting (en dus het momentum) van een kwantumdeeltje bekend zijn, hoe minder zeker we kunnen zijn over zijn positie. Opmerkelijk, deze intrinsieke beperking kan worden versoepeld wanneer metingen periodieke functies van positie en momentum extraheren met een karakteristieke lengte- en momentumschaal, respectievelijk. Simpel gezegd, de onzekerheid in beide variabelen kan breed worden gespreid, kamachtige structuren waarin elke tand nog relatief scherp is, waardoor nauwkeurige metingen in een beperkt bereik mogelijk zijn.

Christa Fluehmann en collega's in de groep van Jonathan Home van de afdeling Natuurkunde aan de ETH Zürich hebben nu het gebruik van dergelijke modulaire positie- en momentummetingen onderzocht om het dynamische gedrag van een mechanische oscillator die bestaat uit een enkel gevangen ion te bestuderen. Zoals ze melden in een krant die vandaag online verscheen in Fysieke beoordeling X , ze gebruikten reeksen van meerdere periodieke positie- en momentummetingen - door de periode te variëren, ze konden bepalen of een meting de toestand van de volgende al dan niet verstoorde. Bij specifieke waarden van de periode, ze ontdekten dat dergelijke metingen verstoring kunnen voorkomen, terwijl andere keuzes een sterke verstoring veroorzaakten. De waarneming van verstoringen is een kenmerk dat het enkele ion kwantummechanisch gedrag vertoont - voor een klassieke oscillator, de modulaire metingen zullen naar verwachting altijd ongestoord zijn.

Het vermogen om de mate van verstoring tussen opeenvolgende metingen af ​​te stemmen, opent de mogelijkheid om fundamentele tests van de kwantummechanica uit te voeren. Kwantummechanica kan worden onderscheiden van klassieke fysica door oorzakelijke verbanden te beschouwen - hoeveel de ene meting de volgende verstoort - en ook door te kijken naar correlaties tussen metingen. Fluehmann et al. onderzoek de laatste door tijdcorrelatoren tussen de opeenvolgende metingen te meten en deze te gebruiken om de zogenaamde Leggett-Garg-ongelijkheid te doorbreken (wat ook inherent onmogelijk is met een puur klassiek systeem).

In dit geval, een deel van de overtredingen kan niet worden verklaard door de verstoring tussen opeenvolgende metingen. De relatie tussen verstoring en schendingen van de Leggett-Garg-ongelijkheid is subtiel, maar beide methoden bevestigen de kwantumaard van de oscillatortoestanden. Inderdaad, deze toestanden behoren tot de meest complexe kwantumoscillatortoestanden die tot nu toe zijn geproduceerd. Ze generaliseren het beroemde gedachte-experiment van Schroedinger naar acht verschillende mesoscopische toestanden, analoog aan een kat die zich in verschillende stadia van ziekte bevindt in plaats van gewoon dood of levend te zijn.

Met het oog op praktische implicaties, modulaire positie- en momentummeting zijn centrale componenten van een aantal voorstellen voor kwantumcomputer- en precisiemeetprotocollen die periodieke functies van positie en momentum benutten om aan het onzekerheidsprincipe van Heisenberg te ontsnappen. Het werk van Fluehmann en haar medewerkers vormt een fundamenteel ingrediënt – meting – voor dergelijke toepassingen, waardoor ze dichterbij komen.