Évaluation expérimentale du réalisme physique dans un dispositif à régulation quantique

Circuits schématiques d'interféromètres à commande quantique. Les cases bleues représentent des opérations unitaires qui jouent ici le rôle de dispositifs de superposition, l'équivalent du réseau quantique d'une lame séparatrice. En utilisant un qubit auxiliaire en superposition (système de contrôle quantique), nous implémentons le dispositif de superposition unitaire contrôlé quantiquement (représenté par les cases rouges). une version originale de l'expérience quantique à choix retardé, où le deuxième séparateur de faisceau est préparé dans une superposition cohérente d'être dans et hors de l'interféromètre (configurations fermées et ouvertes, respectivement). b Notre proposition pour une expérience de réalité contrôlée quantique. Ici, le premier séparateur de faisceau est soumis à un contrôle quantique. Bien que les résultats de mesure donnent la même visibilité dans ces deux dispositifs expérimentaux, les aspects de réalisme à l'intérieur de l'interféromètre sont fondamentalement différents. Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00828-z

Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Nature Communications Physics , Pedro R. Dieguez et une équipe internationale de scientifiques spécialisés dans les technologies quantiques, les systèmes quantiques fonctionnels et la physique quantique, ont développé un nouveau cadre de critère opérationnel pour la réalité physique. Cette tentative a facilité leur compréhension d'un système quantique directement via l'état quantique à chaque instant. Au cours des travaux, l'équipe a établi un lien entre la visibilité de sortie et des éléments de réalité au sein d'un interféromètre. L'équipe a fourni une preuve de principe expérimentale pour un système à deux spins ½ dans une configuration interférométrique au sein d'une plate-forme de résonance magnétique nucléaire. Les résultats ont validé la formulation originale de Bohr du principe de complémentarité.

La physique selon Niels Bohr

Le principe de complémentarité de Bohr stipule que la matière et le rayonnement peuvent être soumis à un cadre unificateur où l'un ou l'autre élément peut se comporter comme une onde ou une particule, en fonction de la configuration expérimentale. Selon la philosophie naturelle de Bohr, la nature de l'individualité des systèmes quantiques est discutée par rapport à l'arrangement défini d'expériences entières. Il y a près d'une décennie, les physiciens ont conçu une expérience de choix quantique retardé (QDCE), avec un séparateur de faisceau en superposition quantique spatiale pour donner à l'interféromètre une configuration "fermée + ouverte", tandis que le système représentait un état hybride "onde + particule". . Les chercheurs avaient précédemment couplé un système cible à un régulateur quantique et testé ces idées pour montrer comment les photons peuvent présenter des comportements ondulatoires ou particulaires en fonction de la technique expérimentale utilisée pour les mesurer. Sur la base de la capacité d'interpoler en douceur les statistiques entre un motif de type onde et particule, les physiciens ont suggéré la manifestation de comportements de morphing dans le même système; revendiquant une révision radicale du principe de complémentarité de Bohr.

Réalisme des ondes et des particules en fonction de la visibilité. Les losanges verts et les triangles rouge foncé sont respectivement le RW (réalisme des ondes) et le RP (réalisme des particules) mesurés à l'intérieur de l'interféromètre avec l'arrangement (expérience quantique à choix retardé). Les carrés bleus et les cercles rouges sont respectivement les RW et RP mesurés à l'intérieur de l'interféromètre (expérience de réalité contrôlée quantique). Les symboles représentent les résultats expérimentaux et les lignes pointillées sont des calculs numériques qui simulent les séquences d'impulsions sur l'état expérimental initial. Les données sont paramétrées par la visibilité à l'extrémité de l'interféromètre. Les barres d'erreur ont été estimées par propagation de Monte Carlo. Les barres d'erreur pour les données représentées par des losanges verts sont plus petites que les symboles. Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00828-z

La stratégie

Dans un premier temps, Dieguez et al ont adopté un quantificateur opérationnel de réalisme en fonction de l'état quantique pour permettre des déclarations de chemin significatives. Ils ont également montré qu'il n'y avait pas de liens entre la visibilité à la sortie avec des éléments ondulatoires et particulaires, par rapport au critère de réalisme adopté. Les scientifiques ont proposé une configuration pour établir un lien entre la visibilité et les éléments ondulatoires de la réalité dans l'interféromètre et ont montré la pertinence des corrélations quantiques avec la dualité onde-particule, suivies de la résonance magnétique nucléaire pour un examen expérimental afin d'expliquer comment les résultats réitéraient les vues originales de Bohr. .

Réalisme contextuel dans l'expérience quantique à choix différé (QDCE)

Dieguez et al ont réévalué le QDCE (expérience quantique à choix retardé) via les éléments de réalité dans le système expérimental actuel. Pour ce faire, ils ont ajouté un qubit en tant qu'état de type particule après avoir passé le premier dispositif de superposition ou séparateur de faisceau, et le déphaseur dans la configuration expérimentale, pour implémenter une phase relative entre les chemins parcourus par le qubit. L'équipe a ensuite activé le dispositif de superposition final pour noter la transformation de l'état en un état ondulatoire. Sur la base des statistiques en sortie du circuit, ils ont déduit le chemin parcouru par le qubit dans l'interféromètre. Pour mieux comprendre le processus, ils ont calculé le réalisme dans le circuit et proposé un cadre pour discuter des éléments de réalité pour le comportement onde-particule dans un dispositif d'interférence à commande quantique. Les résultats ont indiqué comment les états dits de type particule correspondaient à une réalité ondulatoire. En conséquence, ils ont noté comment le qubit se comportait toujours comme une onde à l'intérieur de l'interféromètre dans une approche expérimentale, pour démontrer comment la réalité physique peut être déterminée par l'état quantique à chaque instant.

Diagramme de probabilité à l'extrémité de l'interféromètre (p0) en fonction du paramètre d'interférence (α) et du déphaseur (θ). (a) Pour le scénario de choix différé contrôlé quantique. (b) Pour le scénario de réalisme contrôlé quantique. (c) Visibilité (V) de l'interféromètre dans le scénario de réalisme contrôlé quantique. Les symboles représentent les résultats expérimentaux et les simulations numériques en traits pleins et pointillés. Les barres d'erreur ont été estimées par propagation de Monte Carlo. Dans les panneaux a, b, la barre d'erreur est plus petite que les symboles. Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00828-z

Expérience de réalité contrôlée quantique (QCRE)

L'équipe a ensuite proposé une expérience pour résoudre les problèmes existants de la configuration expérimentale précédente et pour superposer efficacement les éléments ondulatoires et particulaires de la réalité. Ils ont calculé les états de l'ensemble du système, lorsque les qubits voyageaient à l'intérieur de l'interféromètre juste après le déphasage. Le dispositif d'interférence place le qubit dans une superposition de chemins pour impliquer une réalité ondulatoire. Lorsque Dieguez et al ont désactivé le dispositif d'interférence contrôlée dans la nouvelle configuration QCRE, le qubit a continué à parcourir son chemin d'origine en tant que particule pour montrer une différence clé par rapport à la configuration QDCE d'origine. Contrairement au QDCE, les physiciens ont noté une stricte équivalence entre les statistiques de sortie et le comportement ondulatoire à l'intérieur de l'interféromètre. Les résultats ont corroboré la formulation originale de Bohr du principe de complémentarité.

Séquence d'impulsions pour la préparation de l'état initial. Les cases bleues (oranges) représentent les rotations locales x (y) par les angles indiqués à l'intérieur. Ces rotations sont produites par un champ RF transversal résonnant avec des noyaux 1H ou 13C, avec une phase, une amplitude et une durée correctement ajustées. Les cases noires en pointillés avec des connexions représentent l'évolution du temps libre sous le couplage scalaire des deux spins. Les cases avec un dégradé gris représentent des gradients de champ magnétique, avec des orientations longitudinales alignées avec l'axe de symétrie cylindrique du spectromètre. Tous les paramètres de contrôle sont optimisés pour construire un état initial pseudo-pur équivalent à ρ=|00⟩⟨00| avec une haute fidélité (≿0.99). Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00828-z

Preuve de principe

Les scientifiques ont ensuite mis en œuvre ces idées dans une expérience de preuve de principe utilisant une configuration de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état liquide avec deux spin ½ qubits codés dans un échantillon de ^13- Chloroforme marqué au C dilué dans de l'acétone-d6. Ils ont mené les expériences dans un spectromètre Varian 500 MHz et ont utilisé le ¹³ Spin nucléaire C pour étudier le réalisme et les caractéristiques des ondes et des particules de ¹ Spin nucléaire H, qui englobe les chemins interférométriques. Des quatre isotopes du noyau ¹ H, ¹³ C, ³⁵ Cl, et ³⁷ Cl disponible, l'équipe n'a réglementé que ¹ H et ¹³ Noyaux C. L'équipe a réalisé des protocoles interférométriques contrôlés par spin cellulaire ½ quantique en utilisant des combinaisons d'impulsions radiofréquences transversales en résonance avec chacun des noyaux, pour observer le schéma interférométrique.

Séquences d'impulsions pour les deux scénarios interférométriques. ( a ) Séquence de la version originale de l'expérience quantique à choix retardé (QDCE). Dans un souci d'optimisation, la première opération de superposition et le déphaseur ont été mis en oeuvre par deux rotations (rotations θ et -π2). L'interférence contrôlée quantique a été réalisée en utilisant des opérations locales sur le système (1H) et sur le contrôleur (13C), ainsi que deux évolutions libres sous le couplage scalaire. ( b ) Séquence d'impulsions pour l'expérience de réalité contrôlée quantique (QCRE), où l'interférence contrôlée quantique apparaît comme la première opération suivie du déphaseur et de l'opération d'interférence. Les contributions les plus pertinentes à la durée totale de chaque expérience sont l'évolution libre, de sorte que les deux séquences d'impulsions durent approximativement le même temps (≈14 ms). Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00828-z

Perspectives

De cette manière, Pedro R. Dieguez et ses collègues ont utilisé des termes d'onde et de particule pour discuter du comportement d'un système quantique traversant une configuration à double voie pour produire des signaux et des statistiques dans la sortie. Dans l'expérience quantique à choix retardé (QDCE), les scientifiques ont noté que la visibilité de sortie ne racontait pas une histoire spécifique sur le comportement du qubit à l'intérieur du circuit. L'équipe a ensuite introduit une expérience de réalité contrôlée quantique (QCRE) - un arrangement où la formation originale du principe de complémentarité de Bohr pouvait être offerte, où contrairement à QDCE, en utilisant le QCRE, Dieguez et al ont régulé les éléments de particules d'onde de la réalité, pour montrer la possibilité de superposition d'ondes et de particules dans la configuration pour manifester des "réalités de morphing". La recherche a mis en évidence le rôle du principe de complémentarité pour transformer les états de réalité dans un système contrôlé quantique afin de fournir de nouvelles informations sur la nature de la causalité quantique, les cadres de référence et les aspects réalistes des propriétés des ondes et des particules liées aux systèmes quantiques. + Explorer plus loin