El experimento de la doble rendija es el experimento más famoso y probablemente el más importante de la física cuántica:se disparan partículas individuales contra una pared con dos aberturas, detrás de las cuales un detector mide por dónde llegan las partículas. Esto muestra que las partículas no se mueven a lo largo de un camino muy específico, como se sabe de los objetos clásicos, sino a lo largo de varios caminos simultáneamente:cada partícula individual pasa tanto por la abertura izquierda como por la derecha.

Normalmente, sin embargo, esto solo puede probarse realizando el experimento repetidamente y evaluando los resultados de muchas detecciones de partículas al final. En TU Wien, los investigadores desarrollaron una nueva variante de un experimento de interferencia bidireccional de este tipo que puede corregir este defecto:se mide un solo neutrón en una posición específica y, debido a la configuración de medición sofisticada, esta medición única ya prueba que la partícula se movió. por dos caminos diferentes al mismo tiempo. Incluso es posible determinar la proporción en que se distribuyó el neutrón entre los dos caminos. Así, el fenómeno de la superposición cuántica puede probarse sin tener que recurrir a argumentos estadísticos. Los resultados se han publicado ahora en la revista Physical Review Research .

El experimento de la doble rendija

"En el experimento clásico de doble rendija, se crea un patrón de interferencia detrás de la doble rendija", explica Stephan Sponar del Instituto Atómico de TU Wien. "Las partículas se mueven como una onda a través de ambas aberturas al mismo tiempo, y las dos ondas parciales interfieren entre sí. En algunos lugares se refuerzan entre sí, en otros lugares se anulan".

La probabilidad de medir la partícula detrás de la doble rendija en un lugar muy específico depende de este patrón de interferencia:donde se amplifica la onda cuántica, la probabilidad de medir la partícula es alta. Cuando la onda cuántica se cancela, la probabilidad es baja. Por supuesto, esta distribución de ondas no se puede ver mirando una sola partícula. Solo cuando el experimento se repite muchas veces, el patrón de onda se vuelve cada vez más reconocible punto por punto y partícula por partícula.

"Entonces, el comportamiento de las partículas individuales se explica en base a resultados que solo se vuelven visibles a través de la investigación estadística de muchas partículas", dice Holger Hofmann de la Universidad de Hiroshima, quien desarrolló la teoría detrás del experimento. "Por supuesto, esto no es del todo satisfactorio. Por lo tanto, hemos considerado cómo se puede probar el fenómeno de la interferencia bidireccional en función de la detección de una sola partícula".

Rotación del neutrón

Esto fue posible con la ayuda de neutrones en la fuente de neutrones de ILL en Grenoble:los neutrones se envían a un cristal que divide la onda cuántica del neutrón en dos ondas parciales, muy similar al experimento clásico de doble rendija. Las dos ondas de neutrones parciales se mueven a lo largo de dos caminos diferentes y se recombinan nuevamente. Interfieren y luego se miden.

Además, sin embargo, se explota otra propiedad del neutrón:su espín, el momento angular de la partícula. Puede ser influenciado por campos magnéticos, el momento angular del neutrón entonces apunta en una dirección diferente. Si el espín del neutrón gira en uno solo de los dos caminos, es posible determinar después qué camino ha tomado. Sin embargo, el patrón de interferencia también desaparece, como consecuencia de la complementariedad en la mecánica cuántica.

"Por lo tanto, rotamos un poco el espín del neutrón", explica Hartmut Lemmel, el primer autor de la publicación actual. "Entonces el patrón de interferencia permanece, porque solo se puede obtener muy poca información sobre la ruta. Para poder obtener información precisa de la ruta, esta medición 'débil' se repite muchas veces en los experimentos convencionales. Sin embargo, solo se obtiene una declaración estadística. sobre todo el conjunto de neutrones y poco puedo decir sobre cada neutrón individual".

Invertir la rotación

La situación es diferente si, después de que las dos ondas parciales de neutrones se hayan fusionado, se usa otro campo magnético para hacer retroceder el espín nuevamente. Mediante ensayo y error, se determina el ángulo de rotación necesario para que el giro del estado superpuesto vuelva a la dirección original. La fuerza de esta rotación es una medida de la fuerza con la que el neutrón estuvo presente en cada camino. Si hubiera tomado solo el camino en el que se ha girado el giro, sería necesario el ángulo completo de rotación para girarlo hacia atrás. Si hubiera tomado solo el otro camino, no sería necesaria ninguna rotación inversa. En el experimento realizado con un divisor de haz asimétrico especial, se demostró que los neutrones estaban presentes en un tercio en un camino y en dos tercios en el otro.

A través de cálculos detallados, el equipo pudo mostrar:Aquí, uno no solo detecta un valor promedio sobre la totalidad de todos los neutrones medidos, sino que la declaración se aplica a cada neutrón individual. Se necesitan muchos neutrones para determinar el ángulo óptimo de rotación, pero tan pronto como se establece, la presencia de ruta determinada a partir de él se aplica a cada neutrón detectado.

"Nuestros resultados de medición respaldan la teoría cuántica clásica", dice Stephan Sponar. "La novedad es que uno no tiene que recurrir a argumentos estadísticos insatisfactorios:al medir una sola partícula, nuestro experimento muestra que debe haber tomado dos caminos al mismo tiempo y cuantifica las proporciones respectivas sin ambigüedades". Esto descarta interpretaciones alternativas de la mecánica cuántica que intenten explicar el experimento de la doble rendija con partículas localizadas. + Explora más

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