Avaliando experimentalmente o realismo físico em um dispositivo quântico regulado

Circuitos esquemáticos de interferômetros controlados por quantum. As caixas azuis representam operações unitárias que aqui desempenham o papel de dispositivos de superposição ? a rede quântica equivalente a um divisor de feixe. Usando um qubit auxiliar em superposição (sistema de controle quântico), implementamos o dispositivo de superposição unitário controlado quanticamente (representado pelas caixas vermelhas). a Versão original do experimento quântico de escolha retardada, onde o segundo divisor de feixe é preparado em uma superposição coerente de estar dentro e fora do interferômetro (configurações fechadas e abertas, respectivamente). b Nossa proposta para um experimento de realidade controlada quântica. Aqui, o primeiro divisor de feixe é submetido ao controle quântico. Embora os resultados da medição produzam a mesma visibilidade em ambos os arranjos experimentais, os aspectos de realismo dentro do interferômetro são crucialmente diferentes. Crédito: Física das Comunicações (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00828-z

Em um novo relatório agora publicado na Nature Communications Physics, Pedro R. Dieguez e uma equipe internacional de cientistas em tecnologias quânticas, sistemas quânticos funcionais e física quântica, desenvolveram uma nova estrutura de critério operacional para a realidade física. Essa tentativa facilitou a compreensão de um sistema quântico diretamente por meio do estado quântico em cada instância do tempo. Durante o trabalho, a equipe estabeleceu uma ligação entre a visibilidade da saída e os elementos da realidade dentro de um interferômetro. A equipe forneceu uma prova de princípio experimental para um sistema de dois spins e ½ em uma configuração interferométrica dentro de uma plataforma de ressonância magnética nuclear. Os resultados validaram a formulação original de Bohr do princípio da complementaridade.

Física segundo Niels Bohr

O princípio da complementaridade de Bohr afirma que matéria e radiação podem ser submetidas a uma estrutura unificadora onde qualquer elemento pode se comportar como uma onda ou uma partícula, com base na configuração experimental. De acordo com a filosofia natural de Bohr, a natureza da individualidade dos sistemas quânticos é discutida em relação ao arranjo definido de experimentos inteiros. Quase uma década atrás, os físicos projetaram um experimento de escolha quântica atrasada (QDCE), com um divisor de feixe em superposição quântica espacial para tornar o interferômetro com uma configuração “fechada + aberta”, enquanto o sistema representava um estado híbrido “onda + partícula”. . Os pesquisadores já haviam acoplado um sistema alvo a um regulador quântico e testado essas ideias para mostrar como os fótons podem exibir comportamentos semelhantes a ondas ou partículas, dependendo da técnica experimental usada para medi-los. Com base na capacidade de interpolar suavemente as estatísticas entre um padrão de onda e de partícula, os físicos sugeriram a manifestação de comportamentos de transformação no mesmo sistema; reivindicando uma revisão radical do princípio de complementaridade de Bohr.

Realismo de Ondas e Partículas em função da Visibilidade. Os diamantes verdes e os triângulos vermelhos escuros são os medidos RW (realismo de onda) e RP (realismo de partícula), respectivamente, dentro do interferômetro com o arranjo (experimento de escolha retardada quântica). Os quadrados azuis e os círculos vermelhos são os RW e RP medidos, respectivamente, dentro do interferômetro (experimento de realidade controlado quântico). Os símbolos representam os resultados experimentais e as linhas tracejadas são cálculos numéricos que simulam as sequências de pulso no estado experimental inicial. Os dados são parametrizados pela visibilidade no final do interferômetro. As barras de erro foram estimadas via propagação de Monte Carlo. As barras de erro para dados representados como losangos verdes são menores que os símbolos. Crédito: Física das Comunicações (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00828-z

A estratégia

A princípio, Dieguez et al adotaram um quantificador operacional de realismo dependendo do estado quântico para permitir declarações significativas de qual caminho. Eles também mostraram que não havia conexões entre a visibilidade na saída com os elementos onda e partícula, em relação ao critério de realismo adotado. Os cientistas propuseram uma configuração para estabelecer uma ligação entre a visibilidade e os elementos de onda da realidade dentro do interferômetro e mostraram a relevância das correlações quânticas para a dualidade onda-partícula, seguida de ressonância magnética nuclear para escrutínio experimental para argumentar como os resultados reiteraram as visões originais de Bohr. .

Realismo contextual no experimento de escolha retardada quântica (QDCE)

Dieguez et al reavaliaram o QDCE (experimento de escolha retardada quântica) através dos elementos da realidade no sistema experimental atual. Para conseguir isso, eles adicionaram um qubit como um estado semelhante a partículas depois de passar pelo primeiro dispositivo de superposição ou divisor de feixe e o defasador na configuração experimental, para implementar uma fase relativa entre os caminhos percorridos pelo qubit. A equipe então ativou o dispositivo de superposição final para observar a transformação do estado em um estado de onda. Com base nas estatísticas na saída do circuito, eles inferiram o caminho que o qubit percorreu no interferômetro. Para entender melhor o processo, eles calcularam o realismo no circuito e propuseram uma estrutura para discutir os elementos da realidade para o comportamento onda-partícula em um dispositivo de interferência controlado por quantum. Os resultados indicaram como os chamados estados semelhantes a partículas correspondiam a uma realidade ondulatória. Como resultado, eles observaram como o qubit sempre se comportou como uma onda dentro do interferômetro em uma abordagem experimental, para demonstrar como a realidade física pode ser determinada pelo estado quântico a cada instante de tempo.

Padrão de probabilidade no final do interferômetro (p0) em função do parâmetro de interferência (α) e do defasador (θ). (a) Para cenário de escolha retardada controlado por quantum. (b) Para cenário de realismo controlado por quantum. (c) Visibilidade (V) do interferômetro no cenário de realismo quântico controlado. Os símbolos representam os resultados experimentais e as linhas (sólidas e tracejadas) simulações numéricas. As barras de erro foram estimadas via propagação de Monte Carlo. Nos painéis a, b, a barra de erro é menor que os símbolos. Crédito: Física das Comunicações (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00828-z

Experiência de realidade controlada quântica (QCRE)

A equipe em seguida propôs um experimento para resolver problemas existentes da configuração experimental anterior e para sobrepor efetivamente elementos de onda e partículas da realidade. Eles calcularam os estados de todo o sistema, quando os qubits viajaram dentro do interferômetro logo após a mudança de fase. O dispositivo de interferência colocou o qubit em uma superposição de caminhos para implicar uma realidade ondulatória. Quando Dieguez et al desativou o dispositivo de interferência controlada na nova configuração do QCRE, o qubit continuou percorrendo seu caminho original como uma partícula para mostrar uma diferença fundamental para a configuração original do QDCE. Em contraste com o QDCE, os físicos notaram uma equivalência estrita entre as estatísticas de saída e o comportamento ondulatório dentro do interferômetro. Os resultados corroboraram a formulação original de Bohr do princípio da complementaridade.

Sequência de pulso para a preparação do estado inicial. As caixas azuis (laranja) representam x (y) rotações locais pelos ângulos indicados dentro. Essas rotações são produzidas por uma ressonância de campo rf transversal com núcleos 1H ou 13C, com fase, amplitude e duração de tempo devidamente ajustadas. As caixas pretas tracejadas com conexões representam a evolução do tempo livre sob o acoplamento escalar de ambos os spins. As caixas com gradiente cinza representam gradientes de campo magnético, com orientações longitudinais alinhadas com o eixo de simetria cilíndrica do espectrômetro. Todos os parâmetros de controle são otimizados para construir um estado pseudo-puro inicial equivalente a ρ=|00><00| com alta fidelidade (maior ou igual a 0,99). Crédito: Física das Comunicações (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00828-z

Prova de princípio

Os cientistas implementaram essas ideias em um experimento de prova de princípio usando uma configuração de ressonância magnética nuclear (RMN) em estado líquido com dois spin ½ qubits codificados em uma amostra de clorofórmio marcado com 13-C diluído em acetona-d6. Eles conduziram os experimentos em um espectrômetro Varian de 500 MHz e usaram o spin nuclear 13C para investigar o realismo e as características de ondas e partículas do spin nuclear 1H, que englobava os caminhos interferométricos. Dos quatro isótopos de núcleos 1H, 13C, 35Cl e 37Cl disponíveis, a equipe apenas regulou os núcleos 1H e 13C. A equipe realizou protocolos interferométricos controlados por ½ quantum de spin celular usando combinações de pulsos de radiofrequência transversais em ressonância com cada um dos núcleos, para observar o padrão interferométrico.

Sequências de pulso para os dois cenários interferométricos. (a) Sequência para a versão original do experimento de escolha retardada quântica (QDCE). Para fins de otimização, a primeira operação de superposição e o defasador foram implementados por duas rotações (rotações θ e -π2). A interferência quântica controlada foi realizada usando operações locais no sistema (1H) e no controlador (13C), bem como duas evoluções livres sob o acoplamento escalar. (b) Sequência de pulso para o experimento de realidade controlada por quantum (QCRE), onde a interferência controlada por quantum aparece como a primeira operação seguida pelo desfasador de fase e pela operação de interferência. As contribuições mais relevantes para a duração total do tempo de cada experimento são a evolução livre, de modo que ambas as sequências de pulso duram aproximadamente o mesmo tempo (aproximadamente 14 ms). Crédito: Física das Comunicações (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00828-z

Panorama

Desta forma, Pedro R. Dieguez e seus colegas empregaram termos de onda e partícula para discutir o comportamento de um sistema quântico que atravessa uma configuração de caminho duplo para produzir alguns sinais e estatísticas na saída. No experimento de escolha atrasada quântica (QDCE), os cientistas observaram como a visibilidade de saída não contava uma história específica sobre o comportamento do qubit dentro do circuito. A equipe então introduziu um experimento de realidade controlado por quantum (QCRE) – um arranjo em que a formação original do princípio de complementaridade de Bohr poderia ser oferecida, onde, ao contrário do QDCE, usando o QCRE, Dieguez et al regulavam os elementos de partículas de onda da realidade, para mostrar a possibilidade de superposição de ondas e partículas na configuração para manifestar “realidades que se transformam”. A pesquisa destacou o papel do princípio de complementaridade para transformar estados de realidade em um sistema controlado quântico para fornecer novos insights sobre a natureza da causalidade quântica, quadros de referência e aspectos realistas das propriedades de ondas e partículas ligadas a sistemas quânticos.

Publicado em 20/04/2022 08h00

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