När kommer en partikel?

När kommer en partikel?

Tidsstämpel: 30 mars 2023 8:49

Simone Roncallo1,2, Krzysztof Sacha3och Lorenzo Maccone1,2

1Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Pavia, Via Agostino Bassi 6, I-27100, Pavia, Italien
2INFN Sezione di Pavia, Via Agostino Bassi 6, I-27100, Pavia, Italien
3Instytut Fizyki imienia Mariana Smoluchowskiego, Uniwersytet Jagielloński, ulica Profesora Stanisława Łojasiewicza 11, PL-30-348 Kraków, Polen

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Vi jämför de förslag som har dykt upp i litteraturen för att beskriva en mätning av ankomsttiden för en kvantpartikel till en detektor. Vi visar att det finns flera regimer där olika förslag ger olikvärdiga, experimentellt urskiljbara förutsägelser. Denna analys banar väg för framtida experimentella tester.

När kommer en partikel? PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Utvald bild: En partikel beredd i en överlagring av två Gaussiska vågpaket. När paketen överlappar varandra nära detektorn observeras interferens vid ankomst.

Populär sammanfattning

Mätningar av tid är problematiska inom kvantmekaniken eftersom tiden, till skillnad från position och momentum, inte beskrivs av en observerbar. Enkla frågor som "När kommer en partikel till en detektor?" är svåra att behandla. I litteraturen är detta problemet med ankomsttiden. Flera lösningar har övervägts, mestadels grupperade i tre huvudansatser: Kijowskis axiomatiska konstruktion, kvantflödet och kvantklockans förslag. Men de leder alla till olika förutsägelser!

Vi identifierar realiserbara regimer för att experimentellt diskriminera dessa tillvägagångssätt. Våra resultat visar att avvikelser uppträder i starkt kvantregimer, nämligen när partikeln visar kvantinterferens i ankomsttiden: destruktiv interferens vid tillfällen då det är mindre sannolikt att upptäcka partikeln, konstruktiv interferens när det är mer sannolikt att detektering sker.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] W. Pauli, Allmänna principer för kvantmekanik (Springer, 1980).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-61840-6

[2] N. Vona och D. Dürr, Sannolikhetsströmmens roll för tidsmätningar, i The Message of Quantum Science: Attempts Towards a Synthesis, redigerad av P. Blanchard och J. Fröhlich (Springer, 2015) Kap. 5.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-662-46422-9_5

[3] RP Feynman och AR Hibbs, Quantum Mechanics and Path Integrals (McGraw-Hill, 1965).

[4] S. Das och W. Struyve, Ifrågasättande av tillräckligheten hos vissa kvantankomsttidsfördelningar, Phys. Rev. A 104, 042214 (2021).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.1103 / ⠀ <physreva.104.042214

[5] Y. Aharonov och D. Bohm, Tid i kvantteorin och osäkerhetsrelationen för tid och energi, Phys. Rev. 122, 1649 (1961).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.122.1649

[6] N. Grot, C. Rovelli och RS Tate, Ankomsttid i kvantmekanik, Phys. Rev. A 54, 4676 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.4676

[7] EA Galapon, F. Delgado, JG Muga och IL Egusquiza, Övergång från diskret till kontinuerlig ankomst-fördelning för en kvantpartikel, Phys. Rev. A 72, 042107 (2005).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.1103 / ⠀ <physreva.72.042107

[8] J. Kijowski, Om tidsoperatören i kvantmekanik och Heisenbergs osäkerhetsrelation för energi och tid, Rep. Math. Phys. 6, 361 (1974).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0034-4877(74)80004-2

[9] V. Delgado och JG Muga, Ankomsttid i kvantmekanik, Phys. Rev. A 56, 3425 (1997).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.1103 / ⠀ <physreva.56.3425

[10] A. Ruschhaupt och RF Werner, Quantum mechanics of time, i The Message of Quantum Science: Attempts Towards a Synthesis, redigerad av P. Blanchard och J. Fröhlich (Springer, 2015) Kap. 14.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-662-46422-9_14

[11] R. Werner, Screen observables in relativistic and nonrelativistic quantum mechanics, J. Math. Phys. 27, 793 (1986).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.527184

[12] Y. Aharonov, J. Oppenheim, S. Popescu, B. Reznik och WG Unruh, Mätning av ankomsttid i kvantmekanik, Phys. Rev. A 57, 4130 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.57.4130

[13] T. Jurić och H. Nikolić, Ankomsttid från den allmänna teorin om kvanttidsfördelningar, Eur. Phys. J. Plus 137, 631 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1140/​epjp/​s13360-022-02854-w

[14] Y. Aharonov och T. Kaufherr, Quantum referensramar, Phys. Rev. D 30, 368 (1984).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.30.368

[15] Y. Aharonov, S. Popescu och J. Tollaksen, Varje ögonblick av tiden ett nytt universum, i Quantum Theory: A Two-Time Success Story (Springer, 2014) s. 21–36.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-88-470-5217-8_3

[16] C. Rovelli, Relationell kvantmekanik, Int. J. Theor. Phys. 35, 1637 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1007 / bf02302261

[17] M. Reisenberger och C. Rovelli, Spacetime states and covariant quantum theory, Phys. Rev. D 65, 125016 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevd.65.125016

[18] DN Page och WK Wootters, Evolution utan evolution: Dynamik som beskrivs av stationära observerbara objekt, Phys. Rev. D 27, 2885 (1983).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.27.2885

[19] L. Maccone och K. Sacha, Quantum measurements of time, Phys. Rev. Lett. 124, 110402 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.110402

[20] V. Giovannetti, S. Lloyd och L. Maccone, Quantum time, Phys. Rev. D 92, 045033 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevd.92.045033

[21] R. Brunetti, K. Fredenhagen och M. Hoge, Time in quantum physics: From an external parameter to an intrinsic observable, Found. Phys. 40, 1368–1378 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10701-009-9400-z

[22] S. Das och D. Dürr, Ankomsttidsfördelningar av spin-1/​2-partiklar, Sci. Rep. 9, 2242 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-018-38261-4

[23] CR Leavens, Ankomsttid i kvantmekanik och böhmisk mekanik, Phys. Rev. A 58, 840 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.58.840

[24] A. Ananthaswamy, Kan vi mäta kvanttiden för flygning?, Sci. Am. 326, 1 (2022).

[25] JG Muga, RS Mayato och IL Egusquiza, Time in Quantum Mechanics, Vol. 1 (Springer, 2008).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-73473-4

[26] G. Muga, A. Ruschhaupt och A. Campo, Time in Quantum Mechanics, Vol. 2 (Springer, 2009).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-03174-8

[27] M. Kozuma, L. Deng, EW Hagley, J. Wen, R. Lutwak, K. Helmerson, SL Rolston och WD Phillips, Koherent splittring av Bose-Einsteins kondenserade atomer med optiskt inducerad skrytdiffraktion, Phys. Rev. Lett. 82, 871 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.82.871

[28] S. Pandey, H. Mas, G. Drougakis, P. Thekkeppatt, V. Bolpasi, G. Vasilakis, K. Poulios och W. von Klitzing, Hypersonic Bose–Einstein condensates in accelerator rings, Nature 570, 205 (2019) .
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1273-5

[29] CR Leavens, Spatial nonlocality av "standard" ankomsttid-distribution, Phys. Lett. A 338, 19 (2005a).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2005.02.022

[30] CR Leavens, Om den "standardiserade" kvantmekaniska inställningen till ankomsttider, Phys. Lett. A 303, 154 (2002).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(02)01239-2

[31] S. Das och M. Nöth, Ankomsttider och mätinvarians, Proc. R. Soc. A: Matematik. Phys. Eng. Sci. 477, 2250 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2021.0101

[32] IL Egusquiza, JG Muga, B. Navarro och A. Ruschhaupt, kommenterar: "Om den standardkvantmekaniska inställningen till ankomsttider", Phys. Lett. A 313, 498 (2003).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(03)00851-X

[33] CR Leavens, svar på kommentar om: "Om det 'standardiserade' kvantmekaniska synsättet på ankomsttider" [Phys. Lett. A 313 (2003) 498], Phys. Lett. A 345, 251 (2005b).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2005.08.004

[34] AJ Bracken och GF Melloy, Probability backflow and a new dimensionless quantum number, J. Phys. A: Matematik. Theor. 27, 2197 (1994).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​27/​6/​040

[35] KV Kuchar, Tid och tolkningar av kvantgravitationen, Int. J. Mod. Phys. D 20, 3 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0218271811019347

[36] J. Leon och L. Maccone, Pauli-invändningen, hittad. Phys. 47, 1597–1608 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10701-017-0115-2

[37] BS DeWitt, Kvantteori om gravitation. I. Den kanoniska teorin, Phys. Rev. 160, 1113 (1967).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.160.1113

[38] M. Porrmann, Partikelvikter och deras sönderdelning I, Commun. Matematik. Phys. 248, 269–304 (2004).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-004-1092-9

[39] R. Gambini och J. Pullin, Lösningen på problemet med tid i kvantgravitationen löser också ankomsttidsproblemet inom kvantmekaniken, New J. Phys. 24, 053011 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ac6768

Citerad av

[1] Ranjan Modak och S. Aravinda, "Icke-hermitisk beskrivning av skarp kvantåterställning", arXiv: 2303.03790, (2023).

[2] Tajron Jurić och Hrvoje Nikolić, "Passiv kvantmätning: Ankomsttid, kvantzenoneffekt och gamblers felslut", arXiv: 2207.09140, (2022).

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2023-03-30 12:56:20). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

Det gick inte att hämta Crossref citerade data under senaste försöket 2023-03-30 12:56:18: Det gick inte att hämta citerade data för 10.22331 / q-2023-03-30-968 från Crossref. Detta är normalt om DOI registrerades nyligen.

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal