Feynmanin 80 vuotta vanha kvanttifysiikan polkuintegraali vahvistettiin kokeellisesti

Kvanttifysiikan perustavanlaatuinen postulaatti, jonka Richard Feynman muotoili lähes 80 vuotta sitten, on vahvistettu kokeellisesti ensimmäistä kertaa. Science Advances -lehdessä 26. elokuuta julkaistu tutkimus vahvistaa, että "polkuintegraali", joka ennustaa kvanttihiukkasen käyttäytymistä laskemalla yhteen kaikki sen mahdolliset kulkureitit, toimii täsmälleen Feynmanin vuonna 1948 esittämällä tavalla.science+1

Koe

Shi-Liang Zhu ja hänen kollegansa Etelä-Kiinan normaaliyliopistossa Guangzhoussa testasivat Feynmanin polkuintegraalia lähettämällä yksittäisiä fotoneja pienten peilien, linssien ja kristallien muodostaman sokkelon läpi. Tiimi mittasi propagattorina tunnettua kvanttioliota, joka ennustaa, miten fotonin kvanttitila muuttuu sen kulkiessa kokeen eri pisteiden välillä.newscientist

Mittaamalla viisi peräkkäistä propagattoria tietylle fotonille ja kertomalla ne keskenään tutkijat muodostivat polkuintegraalin uudelleen kokeellisesta datasta. Prosessissa saatiin 1 419 857 erillistä polkua, jotka kaikki syötettiin Feynmanin kaavaan. Ennuste vastasi täysin sitä, mitä fotoni todellisuudessa teki.newscientist

"Tuttu ilmaus 'summa kaikkien polkujen yli' ei ollut enää vain symbolinen ohje oppikirjassa, vaan saatoimme nähdä sen seurauksien nousevan suoraan kokeellisesta datasta", Zhu sanoi.newscientist

Miksi se on tärkeää

Feynmanin polkuintegraali on ollut teoreettisen fysiikan kulmakivi esittelystään lähtien, ja se on toiminut perustana kvanttisähködynamiikan, hiukkasfysiikan ja tiiviin aineen fysiikan laskelmille. Sitä ei kuitenkaan ollut koskaan aiemmin testattu suoraan: tutkijat vain olettivat sen toimivan, koska sen varaan rakennetut teoriat tuottivat tarkkoja ennusteita.newscientist

Jörg Götte Glasgow’n yliopistosta kutsui kokeen tarkkuutta todelliseksi tieteelliseksi edistysaskeleeksi. Koska fotonin polkua ei voida seurata suoraan sen liikkuessa, työ esittelee edistyneitä kvanttimittaus- ja hallintamenetelmiä, hän totesi. Jos mittaus olisi osoittanut jotain muuta, "koko kehys polkuintegraalin käyttämisestä kvanttilaskennassa olisi murentunut".newscientist

Tekniset haasteet

Zhu totesi, että koe vaati "lähes kaikkien osa-alueiden" parantamista samanaikaisesti. Polkujen valtava määrä loi mahdollisuuksia virheiden ja kokeellisen kohinan kasaantumiselle viiden propagattorin kertolaskun aikana. Ilman näitä parannuksia lopullinen data olisi näyttänyt lähes täysin satunnaiselta.newscientist

Tiimi toivoo, että muiden alojen tutkijat voivat sovittaa heidän kokeellisen lähestymistapansa eri kvanttijärjestelmiin, mikä mahdollistaisi mahdollisesti monimutkaisempia testejä, kuten sen suoran mittaamisen, miten polut summatutuvat fotonien kulkiessa aineiden läpi ilman sijaan.newscientist