Φυσικοί λαμβάνουν στιγμιότυπα κβαντικών μετρήσεων χωρίς καταστροφή κβαντικής πληροφορίας

Οποιοσδήποτε εξοικειωμένος με την κβαντική μηχανική γνωρίζει ότι η δράση της μέτρησης καταστρέφει (την όλη υπέρθεση) και αναγκάζει το κβαντικό σύστημα να βρεθεί σε μία από τις δύο βασικές κλασικές καταστάσεις (egno: ονομάζεται καταστροφή της υπέρθεσης ή κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης). Όμως, νέα έρευνα δείχνει ότι ορισμένες μετρήσεις δεν καταστρέφουν όλες τις κβαντικές πληροφορίες στην διαδικασία. Αποκαλύπτει επίσης ότι οι μετρήσεις δεν είναι στιγμιαίες, αλλά αντί αυτού βαθμιαία μετατρέπουν καταστάσεις υπέρθεσης σε κλασικές καταστάσεις.

Η ιδέα ότι η όλη υπέρθεση καταστρέφεται όταν γίνεται μια μέτρηση είχε μια υποκείμενη υπόθεση της κβαντικής μηχανικής όπως διαμορφώνονταν από τον John von Neumann και άλλους στη δεκαετία του 1930. Δυο δεκαετίες αργότερα, ωστόσο, ο Gerhart Lüders υποστήριξε θεωρητικά ότι ορισμένες «ιδεατές» μετρήσεις θα πρέπει να οδηγήσουν σε κατάρρευση υπερθέσεις ιδιαίτερων καταστάσεων που ερευνώνται και να αφήσουν άλλες άθικτες. Έτσι, υποστήριξε, μια σειρά τέτοιων μετρήσεων που θα πρέπει να διατηρούν τη κβαντική συνάφεια.

Στην τελευταία εργασία, ο Markus Hennrich και συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης, στη Σουηδία μαζί με ερευνητές στα Πανεπιστήμια της Siegen στη Γερμανία και της Σεβίλλης στην Ισπανία, πραγματοποίησαν μια ιδεατή μέτρηση που περιλάμβανε ένα μόνο ιόν στροντίου. Όπως αναφέρουν στο Physical Review Letters, άρχισαν χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ για να θέσουν το ιόν σε υπέρθεση δυο καταστάσεων (από τρεις πιθανές), με κάθε κατάσταση να αντιστοιχίζεται σε ένα διαφορετικό ενεργειακό επίπεδο του εξώτατου ηλεκτρονίου του ιόντος. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν σύντομο παλμό από άλλο λέιζερ για να διεγείρουν το ιόν σε μια από τις τρεις καταστάσεις, κάνοντάς το να φθορίζει – μια ιδεατή μέτρηση σύμφωνα με τα κριτήρια του Lüders.

Έμμεση ανίχνευση

Σε αυτή τη μέτρηση, ένα μόνο φωτόνιο εκπέμπεται σε μια τυχαία κατεύθυνση, κάνοντάς το δύσκολο να ανιχνευτεί άμεσα. Αντί αυτής ο Hennrich και οι συνάδελφοί του πραγματοποίησαν αυτή που είναι γνωστή ως διαδικασία τομογραφίας. Αυτή περιλαμβάνει χρήση παλμών λέιζερ που αποκαλύπτουν, για κάθε πιθανό συνδυασμό των καταστάσεων υπέρθεσης, εάν η υπέρθεση καταστράφηκε ή διατηρήθηκε.

Επαναλαμβάνοντας τη διαδικασία αυτή πολλές φορές, οι ερευνητές βρήκαν ότι η διέγερση και η εκπομπή κατέστρεψε όλες τις υπερθέσεις που σχετίζονται με την κατάσταση που ερευνήθηκε. Οι άλλες υπερθέσεις, ωστόσο, παρέμειναν άθικτες. Σύμφωνα με τον Hennrich, αυτό δείχνει ότι αυτός και οι συνάδελφοί του είχαν πράγματι πραγματοποιήσει μια ιδεατή μέτρηση. Επιπρόσθετα, το γεγονός ότι δεν χρειάστηκε να ανιχνεύσουν τα εκπεμπόμενα φωτόνια δείχνουν ότι οι διαδικασίες μέτρησης δεν εξαρτιόνταν από την παρουσία παρατηρητή. «Συνέβη ήδη ως αποτέλεσμα ενός φωτονίου φθορισμού που εκπέμπονταν στο περιβάλλον», αναφέρει.

Ασθενής μέτρηση

Η ομάδα στη συνέχεια μελέτησε τη δυναμική των διαδικασιών μέτρησης με μεταβαλλόμενη ισχύ του λέιζερ που χρησιμοποιήθηκε για να διεγείρει το ιόν. Η ιδέα ήταν να μειώσουν την ισχύ έτσι που για το ιόν δεν ήταν εγγυημένος ο φθορισμός επί μακρόν, αντίθετα να το κάνει αυτό για ένα κλάσμα του χρόνου. Επειδή ο φθορισμός είναι λιγότερο πιθανός σε χαμηλές τιμές ισχύος, ο Hennrich εξηγεί ότι αυτές οι ασθενείς, ή ατελείς, μετρήσεις θα είναι ισοδύναμες με ενδιάμεσα στάδια στη διαδικασία μέτρησης – με άλλα λόγια, «στιγμιότυπα» αυτής της διαδικασίας.

Πραγματοποιώντας τομογραφία σε αυτά τα μεταβαλλόμενα επίπεδα ισχύος, ο Hennrich και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι η διαδικασία μέτρησης οδηγεί την υπέρθεση να καταρρέει βαθμιαία (αν και η όλη διαδικασία τελειώνει σε ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου). Βρήκαν ότι ο βαθμός της υπέρθεσης μεταξύ των διαφόρων καταστάσεων του ιόντος ταίριαζε με αυτόν που προβλέφτηκε από το μοντέλο του Lüders στο 94% των περιπτώσεων.

Διόρθωση λαθών

Ως προς τις πιθανές εφαρμογές, ο Hennrich λέει ότι αυτή η τελευταία εργασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βελτιώσει τη διόρθωση λάθους στους κβαντικούς υπολογιστές, δεδομένου ότι οι ασθενείς μετρήσεις θα μπορούσαν κατ’ αρχήν να επιτρέψει να ανιχνευτούν λάθη σε κβαντικές καταστάσεις χωρίς να καταστραφούν οι καταστάσεις αυτές στην διαδικασία.

Οι ερευνητές επίσης θέλουν να διερευνήσουν την δυνατότητα περισσότερο περίπλοκων ιδεατών μετρήσεων, στις οποίες η διαδικασία της μέτρησης επηρεάζει πολλαπλές καταστάσεις, παρά μόνο μια.

Πηγή: Physics World

Περισσότερα στη δημοσίευση: Tracking the Dynamics of an Ideal Quantum Measurement. Physical Review Letters.