Oamenii de ştiinţă de la FOM Foundation şi Delft University of Technology au modificat starea unei particule cuantice doar uitându-se la ea într-un mod inteligent. Prin reglarea intensităţii măsurătorii lor în funcţie de rezultatele unor măsurători anterioare, ei au reuşit să orienteze spinul particulei într-o direcţie dorită. Oamenii de ştiinţă au publicat online rezultatele lor în Nature Physics în data de 16 februarie 2014.

 

 



Orientarea spinului nuclear, indicată în imagine printr-o săgeată, după măsurători efectuate cu diferite intensităţi (albastrul deschis este pentru o intensitate foarte slabă, albastrul închis este pentru o intensitate foarte puternică). Prin creşterea intensităţii de măsurare, direcţia spinului corespunde unei stări clasice (săgeata îndreptată în sus). Aceste date sunt selectate ulterior în conformitate cu un anumit rezultat al măsurării spinului electronului. Pentru un alt rezultat, direcţia săgeţii este în jos.
Credit: Fundamental Research on Matter (FOM)

 

 

În două stări simultan

Mecanica cuantică descrie comportamentul particulelor microscopice cum ar fi atomii şi electronii. Atunci când comparăm acest comportament cu observaţiile noastre din viaţa de zi cu zi constatăm că natura se comportă foarte ciudat la scara dimensională corespunzătoare acestor particule. De exemplu, un electron se poate afla în două stări în acelaşi timp.

 

 

Pentru a arăta cât de ciudată este această proprietate, fizicianul Erwin Schrödinger a propus un experiment mental celebru în care starea unei particule cuantice este legată de soarta unei pisici. Particula cuantică şi pisica se află într-o cutie sigilată. Particula cuantică acţionează ca un comutator care poate deschide sau închide un mic balon cu otravă. Deoarece particula cuantică se poate afla simultan în două stări (comutator deschis sau închis), balonul cu otravă este şi deschis şi închis în acelaşi timp astfel încât, la rândul ei, pisica este atât vie cât şi moartă în acelaşi timp.

Dar ciudăţenia nu se termină aici: de îndată ce cutia este deschisă pentru a observa în ce stare se află pisica, situaţia se schimbă. Actul de măsurare face ca pisica să fie moartă sau vie. Aceasta se numeşte acţiunea inversă a măsurătorii cuantice: starea (unei particule, dar şi a unei pisici imaginare) este în mod inevitabil modificată de măsurătoare şi ea colapsează într-o stare clasică. În această lucrare oamenii de ştiinţă au cercetat ce se întâmplă atunci când cutia este deschisă doar puţin.


Trăgând cu ochiul la pisica lui Schrödinger



Pisica lui Schrödinger aflată într-o cutie şi care este atât vie, cât şi moartă în acelaşi timp. Atunci când cutia este deschisă complet, pisica va fi ori vie, ori moartă. Dacă ridicăm doar puţin capacul cutiei este posibil să obţinem ceva mai multe informaţii în timp ce menţinem această stare cuantică fragilă. În acest experiment nucleul joacă rolul pisicii.
Credit: Fundamental Research on Matter (FOM)



În loc de o pisică, oamenii de ştiinţă din grupul de lucru FOM condus de profesor dr. Ronald Hanson au folosit un nucleu atomic de diamant. Particulele atomice prezintă o proprietate intrinsecă denumită spin care se manifestă ca un mic magnet. Spinul nucleului poate indica direcţia în sus (pisică în viaţă) sau în jos (pisică moartă).

Într-o lucrare anterioară oamenii de ştiinţă au arătat că este posibil să se măsoare orientarea unui spin unic, în analogie cu deschiderea completă a cutiei lui Schrödinger. Pentru a deschide doar parţial cutia, oamenii de ştiinţă au folosit un truc. În loc de a măsura direct nucleul, ei au cuplat mai întâi starea nucleului cu cea a unui electron din apropiere. În continuare ei au determinat starea electronului.

Prin varierea intensităţii cuplajului dintre nucleu şi electron, oamenii de ştiinţă au putut regla cu atenţie intensitatea măsurătorii. O măsurătoare mai slabă dezvăluie mai puţine informaţii, dar ea provoacă, de asemenea, o acţiunea inversă a măsurătorii cuantice mai slabă. O analiză a spinului nuclear după o astfel de măsurătoare slabă a arătat că acesta a rămas într-o stare de superpoziţie (uşor modificată) a două stări. În acest fel oamenii de ştiinţă au verificat că modificarea unei stări cuantice (indusă de efectul de acţiunea inversă a măsurătorii cuantice) se potriveşte cu cantitatea de informaţii care a fost obţinută prin măsurătoare.


Controlul stării cuantice prin observare


Oamenii de ştiinţă şi-au dat seama că este posibil să se modifice orientarea spinului nuclear prin aplicarea unor măsurători secvenţiale având diferite intensităţi. Deoarece rezultatul unei măsurători nu este cunoscut în prealabil, cercetătorii au implementat o buclă de feedback în experiment. Ei au ales intensitatea celei de-a doua măsurători în funcţie de rezultatul primei măsurători. În acest fel oamenii de ştiinţă au reuşit să modifice controlat starea cuantică a nucleului către o stare de superpoziţie doar uitându-se la el.

Acest rezultat oferă o nouă perspectivă asupra efectului măsurătorii în mecanica cuantică. În plus, combinaţia dintre măsurători şi feedback, aşa cum s-a demonstrat aici, constituie un bloc esenţial pentru viitoarele computere cuantice. De asemenea, aceste tehnici ar putea creşte sensibilitatea senzorilor de câmp magnetic.

Traducere de Cristian-George Podariu după peeking-physicists-quantum-particles cu acordul editorului