Um ein Objekt zu messen, müssen Sie normalerweise auf irgendeine Weise mit ihm interagieren: entweder drücken oder schlagen, oder Sie benötigen das Echo von Schallwellen oder einen Lichtstrahl. Kurz gesagt, es ist fast unmöglich, ein Objekt ohne eine gewisse Interaktion damit zu betrachten. Aber es gibt Ausnahmen von jeder Regel, und es gibt sie auf der Welt Quantenphysik.
Forscher der Aalto-Universität in Finnland schlagen eine Möglichkeit vor, einen Mikrowellenimpuls zu „sehen“, ohne Lichtwellen zu absorbieren und wieder auszustrahlen. Dies ist ein Beispiel für eine spezielle Messung ohne Wechselwirkung, wenn ein Objekt ohne Interferenz von Mediatorteilchen beobachtet wird.
Der Grundgedanke „Sehen ohne Anfassen“ ist nicht neu. Physiker haben bewiesen, dass es möglich ist, die wellenartige Natur des Lichts zu nutzen, um den Weltraum zu erkunden, und es sich nicht wie Teilchen verhalten, indem sie präzise ausgerichtete Lichtwellen in verschiedene Pfade aufteilen und ihre Pfade vergleichen.
Anstelle von Lasern und Spiegeln verwendete das Team Mikrowellen und Halbleiter, und dies ist eine separate Errungenschaft. Die Installation verwendet die sog transmon ein Gerät zum Erfassen einer elektromagnetischen Welle, die Impulse erzeugt. Obwohl sie für Quantenstandards relativ groß sind, ahmen diese Geräte das Quantenverhalten einzelner Teilchen auf vielen Ebenen mithilfe eines supraleitenden Schaltkreises nach.
„Messung ohne Wechselwirkung ist ein grundlegender Quanteneffekt, der das Vorhandensein eines lichtempfindlichen Objekts ohne irreversible Absorption von Photonen bestimmt“, schreiben die Forscher in ihrer veröffentlichten Arbeit. "Hier schlagen wir das Konzept der kohärenten Detektion ohne Interaktion vor und demonstrieren es experimentell unter Verwendung einer dreistufigen supraleitenden Transmon-Schaltung."
Das Team verließ sich auf die Quantenkohärenz, die durch ihr spezielles System geschaffen wurde (die Fähigkeit von Objekten, zwei verschiedene Zustände gleichzeitig einzunehmen, wie Schrödingers berühmte Katze), um das komplexe Schema erfolgreich zu machen. „Wir mussten das Konzept an die verschiedenen experimentellen Werkzeuge anpassen, die für supraleitende Geräte verfügbar sind“, sagen Wissenschaftler der Aalto-Universität. - Aus diesem Grund mussten wir auch das Standardprotokoll ohne Interaktion radikal ändern. Wir haben eine weitere Ebene der Quantenhaftigkeit hinzugefügt, indem wir ein höheres Energieniveau verwendet haben transmon".
Die vom Team durchgeführten Experimente wurden durch theoretische Modelle unterstützt, die die Ergebnisse stützten. Dies ist ein Beispiel für das, was Wissenschaftler den Quantenvorteil nennen – die Fähigkeit von Quantengeräten, über das hinauszugehen, was mit klassischen Geräten möglich ist.
In der Quantenphysik kann das Berühren von Dingen mitunter fatale Folgen haben. Für Fälle, in denen die Arbeit maximale Genauigkeit erfordert, können sich die folgenden alternativen Messmethoden als nützlich erweisen. Bereiche, in denen dieses Schema angewendet werden kann, umfassen Quanten-Computing, optische Bildgebung, Rauscherkennung und kryptografische Schlüsselverteilung. In jedem Fall wird die Effizienz der beteiligten Systeme deutlich gesteigert.
„Im Quantencomputing kann unsere Methode zur Diagnose von Mikrowellen-Photonenzuständen in bestimmten Speicherelementen eingesetzt werden“, sagen die Wissenschaftler. „Dies kann als eine hocheffiziente Methode zum Extrahieren von Informationen angesehen werden, ohne die Funktion des Quantenprozessors zu stören.“
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