Het quantum Cheshire cat-effect ontleent zijn naam aan de fictieve Cheshire Cat in het Alice in Wonderland-verhaal. Die kat kon verdwijnen en liet alleen zijn grijns achter.

Op dezelfde manier beweerden onderzoekers in een artikel uit 2013 dat kwantumdeeltjes zich kunnen scheiden van hun eigenschappen, waarbij de eigenschappen langs paden reizen die het deeltje niet kan. Ze noemden dit het quantum Cheshire cat-effect. Onderzoekers hebben sindsdien beweerd dit nog verder uit te breiden, door onstoffelijke eigenschappen tussen deeltjes uit te wisselen, meerdere eigenschappen tegelijkertijd te ontlichamen en zelfs "de golf-deeltjes dualiteit te scheiden" van een deeltje.

Recent onderzoek is echter gepubliceerd in het New Journal of Physics , laat zien dat deze experimenten niet daadwerkelijk laten zien dat deeltjes zich van hun eigenschappen splitsen, maar in plaats daarvan een ander contra-intuïtief kenmerk van de kwantummechanica vertonen:contextualiteit.

Kwantummechanica is de studie van het gedrag van licht en materie op atomaire en subatomaire schaal. Van nature is de kwantummechanica contra-intuïtief. Het onderzoeksteam wilde dit contra-intuïtieve karakter fundamenteel begrijpen en tegelijkertijd praktische voordelen onderzoeken.

"De meeste mensen weten dat de kwantummechanica raar is, maar het identificeren van de oorzaak van deze vreemdheid is nog steeds een actief onderzoeksgebied. Het is langzaam geformaliseerd in een idee dat contextualiteit wordt genoemd:dat kwantumsystemen veranderen afhankelijk van welke metingen je eraan doet", zegt hij. Jonte Hance, onderzoeker aan de Universiteit van Hiroshima en de Universiteit van Bristol.

Een reeks metingen aan een kwantumsysteem zal verschillende resultaten opleveren, afhankelijk van de volgorde waarin de metingen worden uitgevoerd. Als we bijvoorbeeld meten waar een deeltje zich bevindt en hoe snel het zich voortbeweegt, zal dit andere resultaten opleveren dan wanneer we eerst meten hoe snel het zich verplaatst en vervolgens waar het zich bevindt.

Vanwege deze contextualiteit kan worden gemeten dat kwantumsystemen eigenschappen hebben waarvan we verwachten dat ze onderling incompatibel zijn. "We begrijpen echter nog steeds niet echt wat de oorzaak hiervan is, dus dit is wat we wilden onderzoeken, waarbij we het paradoxale kwantum-Cheshire-kattenscenario als proeftuin gebruikten", aldus Hance.

Het team merkt op dat het probleem met de kwantum-Cheshire-kattenparadox is dat de oorspronkelijke bewering, dat het deeltje en zijn eigenschappen, zoals spin of polarisatie, zich scheiden en langs verschillende paden reizen, misschien een misleidende weergave is van de feitelijke fysica van de situatie.

“Wij willen dit corrigeren door te laten zien dat er verschillende resultaten worden verkregen als een kwantumsysteem op verschillende manieren wordt gemeten en dat de oorspronkelijke interpretatie van de kwantum Cheshire-kat alleen tot stand komt als je de resultaten van deze verschillende metingen op een heel specifieke manier combineert. en negeer deze meetgerelateerde verandering”, zegt Holger Hofmann, professor aan de Universiteit van Hiroshima.

Het team analyseerde het Cheshire-kattenprotocol door de relatie te onderzoeken tussen drie verschillende metingen met betrekking tot het pad en de polarisatie van een foton binnen het kwantum Cheshire-kattenprotocol. Deze zouden tot een logische tegenstrijdigheid hebben geleid als het systeem niet contextueel was.

Hun artikel bespreekt hoe dit contextuele gedrag verband houdt met zwakke waarden en de samenhang tussen verboden staten. Hun werk toonde aan dat de kwantum-Cheshire-kat, in plaats van dat een eigenschap van het deeltje onstoffelijk is, de effecten demonstreert van deze coherenties, die doorgaans worden aangetroffen in voor- en achteraf geselecteerde systemen.

Vooruitkijkend wil het team dit onderzoek uitbreiden, een manier vinden om paradoxale kwantumeffecten te verenigen als manifestaties van contextualiteit, en uitleggen hoe en waarom metingen kwantumsystemen veranderen.

“Dit zal ons niet alleen helpen eindelijk uit te leggen waarom de kwantummechanica zo contra-intuïtief is, maar zal ons ook helpen manieren te ontwikkelen om deze raarheid voor praktische doeleinden te gebruiken. Gegeven het feit dat contextualiteit inherent verbonden is met scenario’s met een kwantumvoordeel ten opzichte van klassieke oplossingen voor een bepaald probleem, alleen door de contextualiteit te begrijpen zullen we het volledige potentieel van bijvoorbeeld quantum computing kunnen realiseren”, aldus Hance.

Meer informatie: Jonte R Hance et al, Contextualiteit, coherenties en kwantum Cheshire-katten, New Journal of Physics (2023). DOI:10.1088/1367-2630/ad0bd4

Aangeboden door de Universiteit van Hiroshima