Forskare från National University of Singapore (NUS) och University of New South Wales (UNSW) Sydney har bevisat att en snurrande atomkärna i grund och botten är en kvantresurs. Teamen leddes av professor Valerio Scarani, från NUS Department of Physics, respektive Scientia Professor Andrea Morello från UNSW Engineering. Uppsatsen publicerades i tidskriften Newton den 14 februari 2025.
Det har länge antagits att små partiklar som elektroner eller protoner faktiskt är kvantpartiklar på grund av hur de avböjs i ett magnetfält. Men när de lämnas att snurra fritt verkar de bete sig på exakt samma sätt som ett klassiskt snurrande föremål, till exempel ett lyckohjul som snurrar på sin axel. I mer än ett halvt sekel har experter inom spinnresonans betraktat detta faktum som en universell sanning.
Av samma anledning behöver en tekniker eller läkare som använder en magnetkamera (MR) på sjukhuset aldrig förstå kvantmekanik – protonernas snurr i patientens kropp skapar samma typ av magnetfält som om man fäster en kylskåpsmagnet på ett snurrande hjul.
Det nya arbetet omfattar en mer komplicerad typ av mätning som utförs på en enda atom för att tydligt visa kvantbeteendet hos snurrande kärnor.
Löser gåtan
Prof Scarani, som också är biträdande chef för Singapores Center for Quantum Technologies (CQT), föreslog först teorin efter att 2021 ha stött på en uppsats skriven av den rysk-israeliske matematikern Boris Tsirelson cirka 15 år tidigare. I artikeln undersöktes sannolikheten för att upptäcka föremål på särskilda platser när de rörde sig fram och tillbaka på ett rytmiskt sätt.
Som kvantfysiker undrade professor Scarani om han kunde bygga vidare på det arbetet och använda det i stället i relation till beteendet hos enskilda kvantobjekt när de snurrar – och i synnerhet för att lösa gåtan om varför så små partiklar inte verkade bete sig annorlunda än normala, icke-kvantobjekt.
Efter att under några år ha arbetat tillsammans med sin student Zaw Lin Htoo för att lösa problemet, bestämde sig professor Scarani för att testa deras teori om att det i vissa speciella tillstånd skulle vara möjligt att definitivt visa att en atomkärna verkligen har kvantegenskaper.
Ett samarbete med professor Morello från School of Electrical Engineering and Telecommunications vid UNSW gav kompetensen och den ultraprecisa mätutrustningen för att utföra de experiment som bevisade att det var sant.
”För en enskild partikel var det ingen som trodde att man skulle kunna få någon avvikelse mellan det klassiska och det kvantmekaniska beteendet”, säger professor Scarani.
”Andreas grupp satte spinn på en antimonkärna och för varje cykel eller rotation gjordes sju mätningar för att kontrollera om den pekade i positiv riktning eller inte. Om man använder lyckohjulets analogi skulle man förvänta sig att en pil på hjulet pekar åt höger antingen 4 av 7 gånger eller 3 av 7 gånger.
”Klassiskt sett är det absoluta maximumet 4 av 7 – det är oundvikligt. Men kvantteorin förutspådde att i det speciella tillstånd som vi ville skapa skulle en högre sannolikhet kunna observeras.
”Avvikelsen mellan det klassiska och det kvantmekaniska beteendet är ganska liten, men statistiskt signifikant. För att märka en sådan avvikelse måste du se till att mätningen är extremt exakt och fri från brus, annars kommer du inte att se den skillnaden.”
Från UNSW-teamet ledde doktoranden Arjen Vaartjes och Dr. Martin Nurizzo experimentet som gav resultat som bevisar den nya teorin.
Prof Morello tyckte att det var spännande att kunna utmana de sedan länge etablerade läroböckerna.
”Det här är grundläggande vetenskap. Tidigare trodde man att det inte fanns något sätt att fastställa att ett kärnspinn faktiskt är ett kvantmekaniskt objekt genom att helt enkelt titta på dess precession i ett magnetfält. Vad vi har gjort här är att motsäga det.
”Vi har visat att det faktiskt är möjligt. Ja, man måste ha några speciella typer av kärnspinn och sätta dem i några mycket märkliga kvanttillstånd, och man behöver ett sofistikerat sätt att observera dem. Det speciella kvanttillstånd som vi använde kallas ”Schrödingers katttillstånd” och har sina egna intressanta egenskaper.
”Men resultatet är ett bevis som klargör vad som är en kvantresurs.”
Observation av sanningen
Prof Scarani och Prof Morello är mycket glada över att ha gjort detta genombrott i förståelsen av hur kvantfenomen manifesterar sig i spinnprecession, oavsett möjliga tillämpningar.
”Inom forskarvärlden kommer det här experimentet att lyfta fram de här idéerna”, säger professor Scarani.
”Den stora utmaningen är att man måste skapa dessa mycket specifika tillstånd för att kunna se effekten. Med detta sagt kommer dessa speciella Schrödinger-katttillstånd sannolikt att vara viktiga kvantresurser i kvantdatorer, så det vi har gjort här kan bli en mycket effektiv metod för att certifiera att de har skapats.”
Med 2025 utsett av FN till det internationella året för kvantvetenskap och kvantteknologi, som markerar ett sekel sedan den första utvecklingen av kvantmekaniken, är professor Morello stolt över att ha validerat en sådan grundläggande princip.
”Kvantmekaniken har funnits i 100 år, så man skulle kunna tro att vi har kommit på allt, eller hur?”, säger han. ”Och ändå, 2025, kan vi fortfarande komma på en riktigt enkel men smart idé, som vi kan testa i ett verkligt experiment, som får dig att tänka om vad det innebär att vara kvant.
”Detta är egentligen mer ett verk av intellektuell skönhet och intellektuell tillfredsställelse än det är en omedelbar tillämpning. Det är en observation av sanningen.”
För mer information: Arjen Vaartjes et al, Certifying the quantumness of a nuclear spin qudit through its uniform precession, Newton (2025). DOI: 10.1016/j.newton.2025.100017
