Kvantmehaanika tavapärases tõlgenduses sisaldab lainefunktsioon maksimaalset võimalikku teavet süsteemi seisundi kohta. See määrab erinevate tulemuste saamise võimalikkuse juhul, kui mõõtmine viiakse läbi süsteemi seesuguste dünaamiliste muutujatega, nagu näiteks selle asukoht või impulss.
Footoni lainefunktsioon, mis sisaldab selle kohta kogu võimalikku informatsiooni igal ajahetkel, on selles kunstniku tõlgenduses värviliselt kujutatud Lundeeni ja tema meeskonna poolt kasutatud eksperimentaalsel aparatuuril. Pilt: Jeff Lundeen ja Charles Bamber
Lainefunktsiooni mõõtmine pole aga lihtne ülesanne. Heisenbergi määramatuse printsiibi tõttu on tundunud võimatuna mõõta kvantsüsteemi ilma seda hävitamata enne, kui lainefunktsioon on täielikult leitud. Nüüd on Jeff Lundeen koos oma meeskonnaga esmakordselt otse mõõtnud identsete üksikute footonite lainefunktsiooni, võttes uue lähenemise kvantmõõtmisele, kirjutab PhysicsWorld.com.
Süsteemi ühe osa, näiteks üksiku footoni mõõtmine annab meile vaid osa lainefunktsioonist. Mõõtmist peab palju kordi uuesti läbi viima komplekti identsete footonitega, et koguda piisavalt informatsiooni terve lainefunktsiooni koostamiseks. See kaudse mõõtmise vorm, mida tuntakse kvant-tomograafia nime all, on olnud kasutusel juba mõnda aega.
Virvenduste salvestamine
Lundeen võrdleb tomograafiat tiigi pinnal tekkiva virvenduse kaardistamisega, võttes kaadreid virvenduste varjudest tiigi põhjas. Kombineerides informatsiooni mitmetest kaadritest, on võimalik kokku panna terviklik virvenduse kuju. Kvant-tomograafias on aga iga kaadri võtmine nii “tugev”, et see hävitab virvenduse ning protsessi peab taas kordama identsete virvendustega. Oma destruktiivse loomuse tõttu pole võimalik määrata teatud lainefunktsioone, näiteks aatomi- või molekulaarorbitaale.
Varjudele keskendumise asemel on meeskond välja töötanud viisi uurimaks rühma footonite lainefunktsiooni reaal- ja imaginaarosi. Meetod toetub “nõrga mõõtmise” ideele, mida on hiljuti kasutatud mõnede kvantsüsteemide mõõtmisel – see ei hävita lainefunktsiooni.
“Meie arusaam lainefunktsioonist on üpris abstraktne ning sellele pole olemas ametlikku õpiku definitsiooni,” sõnas Lundeen. “Otsustasime kasutada “nõrga mõõtmise” meetodit hoolimata teadlaste näivast ettevaatusest selle suhtes,” jätkab ta, selgitades, et kuigi “nõrga mõõtmise” teooria arendati välja juba 1980. aastatel, heideti see paljude uurijate poolt kõrvale, sest see tootis üsna “veidraid”, oodatust märksa suuremaid tulemusi. Ootamatute tulemuste põhjus on Lundeeni sõnul see, et “nõrk mõõtmine” annab kompleksarvu, mis koosneb reaalosast ja imaginaarosast.
Õrn mõõtmine
“Nõrga mõõtmise” teooria väidab, et on võimalik “õrnalt” või “nõrgalt” mõõta kvantsüsteemi ning koguda informatsiooni ühe omaduse, näiteks asukoha kohta, ilma komplementaarset omadust (impulssi) nähtavalt häirimata, avaldamata mõju terve süsteemi arengule. Kuigi igal mõõtmisel saadakse imeväike hulk informatsiooni, annab mitme mõõtmise keskmine täpse hinnangu mõõdetavale omadusele ilma lõpptulemust moonutamata.
Üldisel kvantmõõtmisel pannakse mõõdetav süsteem paari teise seisundiga, mida võib pidada “osutiks”. Mõõdetava omaduse kohta kogutakse informatsiooni, jälgides muutusi osuti asukohas. Üldiselt peetakse seda “tugevaks mõõtmiseks”, sest osuti algse ja lõpliku asukoha vahel esineb kerge kattumine. Näiteks viiks footoni avastamine laengsidestusseadises osuti nullilt footonilt ühele, kuid samas ka hävitaks selle footoni.
“Nõrga” mõõtmise korral juhtub aga vastupidine: osuti lõplik asukoht kattuks suurel määral esialgsega. Meeskonna poolt läbi viidud mõõtmisel leiti lainefunktsiooni reaalosa osuti väikese nihke kaudu, mis on seotud footoni asukohaga. Lainefunktsiooni imaginaarosa leiti aga osuti nihke kaudu seoses footoni impulsiga. Seega mõõdeti asukoht “nõrgalt” ning impulss “tugevalt”.
Neli põhisammu
Eksperimendis oli neli põhisammu. Esiteks loodi identsete lainefunktsioonidega üksikute footonite voog. “Praktiliselt võimatu on lainefunktsiooni mõõta ainult ühe kvantsüsteemi eksemplariga, näiteks ühe footoniga – selles oleme peaaegu kindlad,” selgitas Lundeen. Meeskond kasutas footonite voo loomiseks kas nõrgendatud laserkiirt või protsessi, mis on tuntud spontaanse parameetrilise allamuundamise (spontaneous parametric down-conversion) nime all.
Järgmise sammuna seati üles footoni ristasendi “nõrk mõõtmine”, tekitades kvartskristalli abil iga footoni polarisatsioonis imeväikese, 10°-se pöörde. Kuna muutus polarisatsioonis on nii tühine, ei häiri see süsteemi märgatavalt.
Seejärel joondati footonid omavahel, kusjuures registreeriti vaid kindlas suunas liikuvad footonid – viidi läbi järelvalik. See on “tugev” mõõtmine. Viimase sammuna viidi läbi “nõrk” mõõtmine, mõõtes kahte tüüpi polarisatsiooni, mis on reaalselt ilmnenud footonite järel-kollimatsioonis. See on kahekordne, sest mõõtmise reaalosa on lineaarse pöörlemise tegelik ilmnenud hulk. Imaginaarosa leiti ilmnenud polarisatsiooni ringikujulise pöörlemise või “elliptilisuse” kaudu. Koos annavad need väärtused lainefunktsiooni “nõrga mõõtmise”. Uurijad kordasid mõõtmist teistsuguste lainefunktsioonidega footonitega, et kinnitada tulemuste õigsust.
Parem kui tomograafia?
Lundeen rõhutab, et signaali ja müra suhe tema meeskonna eksperimendis oli üpris hea. Ta väidab, et “nõrga mõõtmise” tehnika kasu avaldub selles, et tulemused võimendatakse. Seega võib see osutuda eriti kasulikuks süsteemide uurimisel, mida praegu on väga keeruline mõõta.
Kuigi ta usub, et ka kvant-tomograafial saab olema rakendust, arvab Lundeen, et teatud süsteemide mõõtmisel osutub tema meeskonna poolt kasutatud tehnika tulutoovaks. “Kui tomograafia on globaalne mõõtmine, mis on pigem lainefunktsiooni rekonstruktsioon, on meie mõõtmine lokaalne ja otsene,” selgitas ta. “Meie uurimustöö lihtne kasu on see, et nüüd on meil töötav õpiku definitsioon lainefunktsioonist – miski, mis on hädavajalik.”
Teadusartikkel: “Direct Measurement of the Quantum Wavefunction“