Forskere fra National University of Singapore (NUS) og University of New South Wales (UNSW) Sydney har bevist, at en spindende atomkerne virkelig er grundlæggende en kvanteressource. Holdene blev ledet henholdsvis af professor Valerio Scarani fra NUS Department of Physics og Scientia -professor Andrea Morello fra UNSW Engineering. Papiret blev offentliggjort i tidsskriftet Newton den 14. februar 2025.
Det er længe blevet udledt, at små partikler såsom elektroner eller protoner faktisk er kvante på grund af den måde, de bliver afbøjet i et magnetfelt. Men når de overlades til at dreje frit, ser de ud til at opføre sig på nøjagtigt samme måde som en klassisk spinding -vare, såsom et hjul af formue, der tænder på sin akse. I mere end et halvt århundrede har eksperter i spinresonans taget denne kendsgerning som en universel sandhed.
Af samme grund, en tekniker eller en læge, der betjener en magnetisk resonansafbildning (MRI) -maskine på hospitalet, havde aldrig brug for at forstå kvantemekanik – spinding af protonerne inde i patientens krop producerer den samme slags magnetfelt, der ville blive skabt af Fastgørelse af en køleskabsmagnet til et spindingshjul.
Det nye værk involverer en mere kompliceret form for måling udført på et enkelt atom for at demonstrere tydeligt kvanteadfærden ved at spinde kerner.
Løsning af gåten
Prof Scarani, der også er viceadministrerende direktør for Singapores Center for Quantum Technologies (CQT), foreslog først teorien efter at have stødt på et papir i 2021, skrevet af russisk-israelsk matematiker Boris Tsirelson omkring 15 år tidligere. Papiret undersøgte sandsynligheden for at detektere genstande på bestemte steder, da de bevægede sig frem og tilbage på en rytmisk måde.
Som kvantefysiker spekulerede prof Scarani på, om han kunne bygge videre på dette arbejde og udnytte det i stedet i forhold til opførslen af enkelt kvanteobjekter, når de drejer – og især for at løse gåden af, hvorfor sådanne små partikler ikke syntes at opføre sig anderledes end normal , ikke-kvantumobjekter.
Efter at have arbejdet i nogle år med sin studerende Zaw Lin Htoo for at løse problemet, forsøgte Prof Scarani at teste deres teori om, at det i visse specielle tilstande ville være muligt endeligt at vise, at en atomkerne faktisk har kvanteegenskaber.
Et samarbejde med Prof Morello fra School of Electrical Engineering and Telecommunications på UNSW leverede færdighederne og det ultra-præcise måleudstyr til at køre de eksperimenter, der beviste, at det var sandt.
“For en partikel på egen hånd troede ingen, at du kunne få nogen afvigelse mellem den klassiske og kvanteadfærd,” sagde prof Scarani.
“Andrea’s gruppe satte i gang spin af en kerne af antimon, og for hver cyklus eller rotation tog syv målinger for at kontrollere, om det pegede i den positive retning eller ej. Ved hjælp af Wheel of Fortune -analogien ville man forvente at finde en pil på Hjulet peger til højre enten 4 ud af 7 gange, eller 3 ud af 7 gange.
“Klassisk set er det absolutte maksimum 4 ud af 7 – det er uundgåeligt. Men kvanteteorien forudsagde, at i den specielle tilstand, vi ønskede at skabe, kunne der observeres en højere sandsynlighed.
“Afvigelsen mellem den klassiske og kvanteadfærd er ganske lille, men statistisk signifikant. For at bemærke en sådan afvigelse, skal du sørge for, at målingen er ekstremt præcis og fri for støj, ellers vil du ikke se den forskel.”
Fra UNSW -teamet, Ph.D. Student Arjen Vaartjes og Dr. Martin Nurizzo førte eksperimentet, der producerede resultaterne for at bevise den nye teori.
Prof Morello tog en stor spænding ud af at kunne udfordre de længe etablerede lærebøger.
“Dette er grundlæggende videnskab. Tidligere troede man, at der ikke var nogen måde at konstatere, at en nuklear spin faktisk er et kvantemekanisk objekt ved blot at se dets præcession i et magnetfelt. Det, vi har gjort her, er at modsige det.
“Vi har vist, at det faktisk er muligt. Ja, du skal have nogle specielle slags nukleare spins og lægge dem i nogle meget ejendommelige kvantetilstande, og du har brug for en sofistikeret måde at observere dem på. Den specielle kvantetilstand, vi brugte, er kaldte ‘Schrödinger Cat State’ og har interessante egenskaber.
“Men resultatet er et bevis, der tydeliggør, hvad der er en kvanteressource.”
Observation af sandheden
Prof Scarani og prof Morello er glade for at have gjort dette gennembrud i forståelsen af, hvordan kvantefænomener manifesterer sig i spin -præcession, uanset mulige anvendelser.
“Inden for forskerne vil dette eksperiment bringe disse ideer mere frem,” sagde prof Scarani.
“Den vigtigste udfordring er, at du er nødt til at oprette disse meget specifikke tilstande for at se effekten. Når det er sagt, er disse specielle Schrödinger -kattestater sandsynligvis vigtige kvante ressourcer i kvanteberegning, så det, vi har gjort her, kunne blive en meget meget Effektiv metode til at certificere deres oprettelse. “
Med 2025 udpeget af De Forenede Nationer som det internationale år for kvantevidenskab og teknologi, der markerer et århundrede siden den oprindelige udvikling af kvantemekanik, er prof Morello stolt over at have valideret et så grundlæggende princip.
“Kvantemekanik har eksisteret i 100 år, så du kunne måske tro, at vi ville have fundet ud af det hele, ikke?” sagde han. “Og alligevel, i 2025, kan vi stadig komme med en virkelig enkel, men smart idé, som vi kan teste i et rigtigt eksperiment, der får dig til at overveje, hvad det betyder at være kvantet.
“Dette er virkelig mere et arbejde med intellektuel skønhed og intellektuel tilfredshed end det er en øjeblikkelig anvendelse. Det er en observation af sandheden.”