;
Наука 11 мая 2022

Ученые измерили квантовую суперпозицию: через «первую щель» прошла треть нейтрона

Далее

Исследователи представили новый метод проведения двухщелевого опыта. Работа не только продемонстрировала квантовую суперпозицию для нейтрона, но также показала, как измерить распределение частицы между двумя путями движения.

Физики использовали установку для работы с нейтронами в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле. В этой установке нейтроны направляются на кристалл, который расщепляет квантовую волну нейтрона на две частичные волны. Эти новые нейтронные волны движутся по двум разным путям и снова рекомбинируют. 

Помимо измерения самой частицы после воссоединения, установка позволяет измерить спин нейтрона. Исследователи отмечают, что если нейтрон движется только по одному из двух путей, то впоследствии по спину можно определить, по какому пути он пошел. Ученые измеряют значение спина до разделения и после слияния частичных волн. 

При помощи метода проб и ошибок физики определяют угол, необходимый для поворота спина наложенного состояния обратно в исходное направление. Сила этого вращения, как отмечают ученые, показывает, насколько сильно нейтрон присутствовал на каждом пути. Если бы он пошел только по тому пути, по которому вращался спин, полный угол поворота был бы необходим, чтобы повернуть его обратно. Если бы он пошел только по другому пути, то вообще не было бы необходимости в обратном вращении. 

Ученые отмечают, что для определения оптимального угла вращения требуется много нейтронов, но как только он установлен, определяемое на его основе распределение применяется к каждому отдельному обнаруженному нейтрону. Например, в эксперименте, проведенном с помощью специального асимметричного светоделителя, было показано, что нейтроны присутствуют на одну треть в одном пути и на две трети в другом.

Результаты наших измерений подтверждают классическую квантовую теорию. Новинка в том, что не нужно прибегать к неудовлетворительным статистическим аргументам: при измерении одной частицы наш эксперимент показывает, что она должна идти двумя путями одновременно, и однозначно определяет соответствующие пропорции.

Стефан Спонар, соавтор исследования из Венского университета

Двухщелевой опыт — самый известный в квантовой физике: отдельные частицы выстреливаются в стену с двумя отверстиями, за которыми детектор измеряет, куда попадают частицы. Традиционный подход к проведению опыта, как отмечают исследователи, основан на множестве повторений и статистической оценке всех результатов. 

«В классическом эксперименте за двойной щелью создается интерференционная картина. Частицы движутся как волна через оба отверстия одновременно, и две волны затем интерферируют друг с другом. В некоторых местах они усиливают друг друга, в других местах они нейтрализуют друг друга», — объясняет Спонар. 

Вероятность измерения частицы за двойной щелью в очень конкретном месте зависит от этой интерференционной картины: там, где квантовая волна усиливается, вероятность измерения частицы высока. Там, где квантовая волна компенсируется, вероятность мала. Это распределение волн нельзя увидеть, глядя на одну частицу. Только когда эксперимент повторяется много раз, волновая картина становится все более узнаваемой точка за точкой и частица за частицей.


Читать далее

Посмотрите на «бесшумный» дрон с ионным двигателем нового поколения

Самцы древних трилобитов пристегивали самок во время спаривания

У России и США есть самолеты Судного дня: как и куда они полетят в случае конца света