光子盒研究院出品
巴西ABC聯邦大學的Pedro R. Dieguez和量子技術、功能量子系統和量子實體領域的一個國際科學家團隊在《自然通訊實體》上發表的一篇新論文為實體現實開發了一個新的操作标準架構。這一嘗試有助于他們直接通過每個時刻的量子态來了解量子系統。
在工作中，團隊在幹涉儀内的輸出可見性和真實性元素之間建立了聯系。該團隊在核磁共振平台内的幹涉測量裝置中為雙自旋½系統提供了原理實驗證明。這些結果證明了玻爾最初提出的互補性原理（complementarity principle）。
Niels Bohr
1928年，丹麥量子實體學家玻爾提出了互補性原理。互補性原理指出，物質和輻射可以被置于一個統一的架構中，其中任何一種元素都可以根據實驗設定表現為波或粒子。根據玻爾的自然哲學，量子系統個體性的本質是相對于整個實驗的确定設定來讨論的。
大約十年前，實體學家設計了一個量子延遲選擇實驗(QDCE)，在空間量子疊加中使用一個分束器，使幹涉儀具有“閉合+開放”的配置，該系統代表了一種混合的“波+粒子”狀态。
研究人員此前将目标系統和量子調節器耦合，并測試了這些想法，以展示光子如何根據用于測量它們的實驗技術表現出類似波或粒子的行為。基于在類波和類粒子模式之間平滑地插值統計資料的能力，實體學家提出了在同一系統中改變行為的表現形式；聲稱對玻爾的互補性原理進行了徹底的修正。
Dieguez等人通過目前實驗系統中的真實性元素重新評估了QDCE(量子延遲選擇實驗)。為了實作這一點，他們在通過第一個疊加裝置或分束器以及實驗裝置中的移相器後，添加了一個量子比特作為類粒子态，以實作量子比特所走路徑之間的相對相位。然後，該團隊激活了最終的疊加裝置，以記錄粒子态向波态的轉變。
基于電路輸出的統計資料，他們推斷出量子比特在幹涉儀中的傳播路徑。為了進一步了解這個過程，他們計算了電路中的真實性，并讨論量子控制幹涉裝置中波粒行為的真實性元素。這些結果顯示了粒子态是如何與波的真實性相對應的。
是以，他們在實驗方法中注意到量子比特在幹涉儀中總是表現為一種波，以證明實體真實性是如何由量子态在每個時刻确定的。
量子控制幹涉儀的電路原理圖。藍框代表酉運算，在這裡扮演疊加裝置的角色——量子網絡相當于分光器。利用疊加态的輔助量子比特(量子控制系統)，實驗實作了量子控制的酉疊加裝置(紅盒子)。量子延遲選擇實驗的原始版本，其中第二個分束器是在幹涉儀内外的相幹疊加中制備的(配置分别為關閉和打開)。關于量子控制現實實驗的提議，第一個分束器接受量子控制。雖然在這兩種實驗安排中，測量結果産生了相同的可見性，但是幹涉儀内部的真實性方面卻截然不同。
作為可見度函數的波和粒子真實性。（量子延遲選擇實驗）綠色菱形和暗紅色三角形分别是幹涉儀内部測量的RW（波真實性）和RP（粒子真實性）。（本文中的量子控制真實性實驗）藍色方塊和紅色圓圈分别是幹涉儀内部測得的RW和RP。符号代表實驗結果，虛線是模拟初始實驗狀态下脈沖序列的數值計算。資料通過幹涉儀末端的可見性進行參數化。通過蒙特卡羅傳播估計誤差。用綠色菱形表示的資料的誤差小于符号。
作為幹涉參數(α)和移相器(θ)的函數的幹涉儀(p0)末端的機率模式。（a）對于量子控制的延遲選擇場景。（b）對于量子控制的實在論場景。（c）量子控制實在論場景中幹涉儀的可見度（V）。這些符号代表實驗結果和數值模拟（實線和虛線）。
該團隊接下來提出了一個實驗，以解決之前實驗裝置中存在的問題，并有效地疊加現實中的波和粒子元素。當量子比特在相移後立即進入幹涉儀時，他們計算了整個系統的狀态。幹涉裝置将量子比特置于路徑的疊加中，以暗示波的真實性。當Dieguez等人在新的QCRE設定中停用受控幹擾裝置時，量子比特繼續以粒子的形式沿其原始路徑移動，以顯示與原始QDCE設定的關鍵差異。與QDCE相反，實體學家注意到輸出統計資料和幹涉儀内部的波動行為之間存在嚴格的等價關系。這些結果證明了玻爾最初提出的互補性原理。
初始态制備的脈沖序列。藍色(橙色)框通過内部訓示的角度表示x (y)局部旋轉。這些旋轉是由與1H或13C原子核共振的橫向射頻場産生的，相位、振幅和持續時間都經過适當調整。具有連接配接的黑色虛線框表示兩種自旋标量耦合下的自由時間演化。灰色梯度的方框表示磁場梯度，縱向方向與光譜儀圓柱對稱軸對齊。所有的控制參數被優化以高保真度(≿0.99)建立一個初始僞純态
科學家們接下來在一個原理驗證明驗中實作了這些想法，該實驗使用液态核磁共振(NMR)裝置，在丙酮-d6稀釋的13-C标記的氯仿樣本中編碼了兩個自旋½量子比特。他們在瓦裡安 500 MHz光譜儀中進行了實驗，并使用13C核自旋來研究1H核自旋的真實性、波和粒子特征，其中包括幹涉路徑。在可用的四種原子核同位素1H、13C、35Cl和37Cl中，研究團隊隻對1H和13C進行了調整。該團隊使用橫向射頻脈沖與每個原子核共振的組合，執行了細胞自旋½量子控制的幹涉測量協定，以觀察幹涉模式。
兩種幹涉方案的脈沖序列。（a）量子延遲選擇實驗（QDCE）原始版本的序列。為了實作優化，第一次疊加操作和移相器通過兩次旋轉來實作。利用系統(1H)和控制器(13C)上的局部操作，以及标量耦合下的兩個自由演化，進行量子控制的幹涉；（b）量子控制現實實驗（QCRE）的脈沖序列，其中量子控制幹涉作為第一個操作出現，随後是移相器和幹涉操作。對每個實驗的總持續時間最相關的貢獻是自由演化，兩個脈沖序列持續大約相同的時間(≈14 ms)。
通過這種方式，Pedro R.Dieguez及其同僚利用波和粒子來讨論量子系統穿過雙路徑裝置的行為，進而在輸出中産生一些信号和統計資料。在量子延遲選擇實驗（QDCE）中，科學家們注意到，輸出可見性并沒有說明電路中量子比特行為的具體情況。然後，該團隊引入了量子控制真實性實驗（QCRE）——一種可以提供波爾互補性原理原始形式的設定，與QDCE不同的是，Dieguez等人使用QCRE調節了現實中的波粒元素，展示設定中波粒疊加的可能性，以表現“改變的真實性”。
該研究強調了互補性原理在量子控制系統中改變真實性狀态的作用，進而為量子因果關系的本質、參照系以及與量子系統相關的波和粒子屬性的真實性方面提供了新的見解。
參考連結：
https://phys.org/news/2022-04-physical-realism-experimentally-quantum-regulated-device.html