Исследование квантовых состояний с 27 измерениями всегда представляет собой долгий многоступенчатый процесс с использованием технологии квантовой томографии, которая очень схожа с процессом создания 3D образа из 2D изображений. Вместо этого ученым удалось провести исследование напрямую в рамках единственного эксперимента, не требующего последующей обработки данных. В новой работе они продемонстрировали непосредственный способ исследования квантового состояния, который связан с орбитальным угловым моментом.

Технология непосредственного исследования позволяет напрямую определить состояние квантовой системы.

Впервые она была разработана в 2011 году учеными из Национального исследовательского совета Канады, которые использовали технологию для определения положения и момента протонов. В прошлом году исследовательская группа из Рочестера и Оттавы под руководством Роберта Бойда (Robert Boyd) доказала, что

метод непосредственного исследования может применяться для измерения поляризации света. Эта новая научная работ впервые описывает применение этого метода к исследованию дискретной системы с большим количеством измерений.

Кажется, что непосредственное исследование волновой функции исключено на основе принципа неопределенности, идея которого в том, что некоторые свойства квантовой системы можно точно установить только в том случае, если другие свойства остаются неизвестными.

Однако метод непосредственного измерения включает в себя «уловку», которая делает его применение возможным. Это важно, поскольку в том случае, если мы хотим создать безопасные квантовые системы связи, нам необходимы точные и эффективные методы оценки состояний с большим количеством измерений.

Метод непосредственного исследования состоит из двух типов исследований: «осторожное» исследование, за которым следует «интенсивное» исследование.

В квантовой механике измерение квантового состояния необратимо искажает его. Данный феномен известен как коллапс волновой функции.

«Уловка» заключается в том, что первое исследование является таким осторожным, что не искажает систему и не приводит к коллапсу волновой функции.

«Можно сравнить такое исследование с беглым взглядом в ящик Шредингера для того, чтобы узнать, жив ли кот внутри, не открывая при этом коробку, – говорит ведущий исследователь Мехул Малик (Mehul Malik), который на данный момент проводит исследование после защиты докторской степени в Университете Вены (Австрия) и который являлся доктором наук в составе группы Бойда при проведении исследований. – Осторожное исследование по существу является неточным исследованием, которое, по большому счету, не проясняет, жив кот или мертв. Вместе с тем, оно позволяет получить часть информации о здоровье кота и при многократном повторении может почти точно ответить на вопрос о его состоянии».

«Наша работа доказывает, что непосредственное исследование является потрясающей альтернативой квантовой томографии, – говорит Роберт Бойд профессор оптики и физики из Университета Рочестера (Великобритания). – С расширением области применения квантовой информации можно ожидать, что метод непосредственного исследования будет играть все более важную роль в ее получении».

Бойд добавил, что,

несмотря на неопределенность относительно того, насколько эффективен метод непосредственного измерения по сравнению с квантовой томографией, отсутствие последующей обработки данных является важнейшим фактором в контексте ускорения процедуры непосредственного измерения.

Малик добавляет, что

значимость «осторожного» исследования в том, что оно не разрушает систему в отличие от других распространенных методов исследования квантового состояния, позволяя проводить последующий анализ – «интенсивные» исследования других переменных величин.

Последовательность осторожных и интенсивных исследований затем повторяется для множества идентичных квантовых систем до тех пор, пока волновая функция не будет измерена с достаточной точностью.