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巴西ABC联邦大学的Pedro R. Dieguez和量子技术、功能量子系统和量子物理领域的一个国际科学家团队在《自然通讯物理》上发表的一篇新论文为物理现实开发了一个新的操作标准框架。这一尝试有助于他们直接通过每个时刻的量子态来理解量子系统。
在工作中，团队在干涉仪内的输出可见性和真实性元素之间建立了联系。该团队在核磁共振平台内的干涉测量装置中为双自旋½系统提供了原理实验证明。这些结果证实了玻尔最初提出的互补性原理（complementarity principle）。
Niels Bohr
1928年，丹麦量子物理学家玻尔提出了互补性原理。互补性原理指出，物质和辐射可以被置于一个统一的框架中，其中任何一种元素都可以根据实验设置表现为波或粒子。根据玻尔的自然哲学，量子系统个体性的本质是相对于整个实验的确定设置来讨论的。
大约十年前，物理学家设计了一个量子延迟选择实验(QDCE)，在空间量子叠加中使用一个分束器，使干涉仪具有“闭合+开放”的配置，该系统代表了一种混合的“波+粒子”状态。
研究人员此前将目标系统和量子调节器耦合，并测试了这些想法，以展示光子如何根据用于测量它们的实验技术表现出类似波或粒子的行为。基于在类波和类粒子模式之间平滑地插值统计数据的能力，物理学家提出了在同一系统中改变行为的表现形式；声称对玻尔的互补性原理进行了彻底的修正。
Dieguez等人通过当前实验系统中的真实性元素重新评估了QDCE(量子延迟选择实验)。为了实现这一点，他们在通过第一个叠加装置或分束器以及实验装置中的移相器后，添加了一个量子比特作为类粒子态，以实现量子比特所走路径之间的相对相位。然后，该团队激活了最终的叠加装置，以记录粒子态向波态的转变。
基于电路输出的统计数据，他们推断出量子比特在干涉仪中的传播路径。为了进一步理解这个过程，他们计算了电路中的真实性，并讨论量子控制干涉装置中波粒行为的真实性元素。这些结果显示了粒子态是如何与波的真实性相对应的。
因此，他们在实验方法中注意到量子比特在干涉仪中总是表现为一种波，以证明物理真实性是如何由量子态在每个时刻确定的。
量子控制干涉仪的电路原理图。蓝框代表酉运算，在这里扮演叠加装置的角色——量子网络相当于分光器。利用叠加态的辅助量子比特(量子控制系统)，实验实现了量子控制的酉叠加装置(红盒子)。量子延迟选择实验的原始版本，其中第二个分束器是在干涉仪内外的相干叠加中制备的(配置分别为关闭和打开)。关于量子控制现实实验的提议，第一个分束器接受量子控制。虽然在这两种实验安排中，测量结果产生了相同的可见性，但是干涉仪内部的真实性方面却截然不同。
作为可见度函数的波和粒子真实性。（量子延迟选择实验）绿色菱形和暗红色三角形分别是干涉仪内部测量的RW（波真实性）和RP（粒子真实性）。（本文中的量子控制真实性实验）蓝色方块和红色圆圈分别是干涉仪内部测得的RW和RP。符号代表实验结果，虚线是模拟初始实验状态下脉冲序列的数值计算。数据通过干涉仪末端的可见性进行参数化。通过蒙特卡罗传播估计误差。用绿色菱形表示的数据的误差小于符号。
作为干涉参数(α)和移相器(θ)的函数的干涉仪(p0)末端的概率模式。（a）对于量子控制的延迟选择场景。（b）对于量子控制的实在论场景。（c）量子控制实在论场景中干涉仪的可见度（V）。这些符号代表实验结果和数值模拟（实线和虚线）。
该团队接下来提出了一个实验，以解决之前实验装置中存在的问题，并有效地叠加现实中的波和粒子元素。当量子比特在相移后立即进入干涉仪时，他们计算了整个系统的状态。干涉装置将量子比特置于路径的叠加中，以暗示波的真实性。当Dieguez等人在新的QCRE设置中停用受控干扰设备时，量子比特继续以粒子的形式沿其原始路径移动，以显示与原始QDCE设置的关键差异。与QDCE相反，物理学家注意到输出统计数据和干涉仪内部的波动行为之间存在严格的等价关系。这些结果证实了玻尔最初提出的互补性原理。
初始态制备的脉冲序列。蓝色(橙色)框通过内部指示的角度表示x (y)局部旋转。这些旋转是由与1H或13C原子核共振的横向射频场产生的，相位、振幅和持续时间都经过适当调整。具有连接的黑色虚线框表示两种自旋标量耦合下的自由时间演化。灰色梯度的方框表示磁场梯度，纵向方向与光谱仪圆柱对称轴对齐。所有的控制参数被优化以高保真度(≿0.99)建立一个初始伪纯态
科学家们接下来在一个原理验证实验中实现了这些想法，该实验使用液态核磁共振(NMR)装置，在丙酮-d6稀释的13-C标记的氯仿样本中编码了两个自旋½量子比特。他们在瓦里安 500 MHz光谱仪中进行了实验，并使用13C核自旋来研究1H核自旋的真实性、波和粒子特征，其中包括干涉路径。在可用的四种原子核同位素1H、13C、35Cl和37Cl中，研究团队只对1H和13C进行了调整。该团队使用横向射频脉冲与每个原子核共振的组合，执行了细胞自旋½量子控制的干涉测量协议，以观察干涉模式。
两种干涉方案的脉冲序列。（a）量子延迟选择实验（QDCE）原始版本的序列。为了实现优化，第一次叠加操作和移相器通过两次旋转来实现。利用系统(1H)和控制器(13C)上的局部操作，以及标量耦合下的两个自由演化，进行量子控制的干涉；（b）量子控制现实实验（QCRE）的脉冲序列，其中量子控制干涉作为第一个操作出现，随后是移相器和干涉操作。对每个实验的总持续时间最相关的贡献是自由演化，两个脉冲序列持续大约相同的时间(≈14 ms)。
通过这种方式，Pedro R.Dieguez及其同事利用波和粒子来讨论量子系统穿过双路径装置的行为，从而在输出中产生一些信号和统计数据。在量子延迟选择实验（QDCE）中，科学家们注意到，输出可见性并没有说明电路中量子比特行为的具体情况。然后，该团队引入了量子控制真实性实验（QCRE）——一种可以提供波尔互补性原理原始形式的设置，与QDCE不同的是，Dieguez等人使用QCRE调节了现实中的波粒元素，展示设置中波粒叠加的可能性，以表现“改变的真实性”。
该研究强调了互补性原理在量子控制系统中改变真实性状态的作用，从而为量子因果关系的本质、参照系以及与量子系统相关的波和粒子属性的真实性方面提供了新的见解。
参考链接：
https://phys.org/news/2022-04-physical-realism-experimentally-quantum-regulated-device.html