Może istnieć sposób na przemknięcie szczytu u kota Schrödingera - słynnego eksperymentu myślowego opartego na kotach, który opisuje tajemnicze zachowanie cząstek subatomowych - bez trwałego zabijania (hipotetycznego) zwierzęcia.
Nieszczęśliwy, wyimaginowany kot jest jednocześnie żywy i martwy w pudełku lub istnieje w superpozycji stanów „martwych” i „żywych”, tak jak cząsteczki subatomowe istnieją w superpozycji wielu stanów jednocześnie. Ale zajrzenie do pudełka zmienia stan kota, który następnie staje się żywy lub martwy.
Teraz jednak badanie opublikowane 1 października w New Journal of Physics opisuje sposób potencjalnego zerknięcia na kota bez zmuszania go do życia lub śmierci. W ten sposób przyspiesza zrozumienie przez naukowców jednego z najbardziej podstawowych paradoksów w fizyce.
W naszym zwykłym świecie na dużą skalę patrzenie na obiekt nie wydaje się go zmieniać. Ale powiększ odpowiednio, a tak nie jest.
„Zwykle uważamy, że cena, którą płacimy za wygląd, jest niczym” - powiedział główny autor badania Holger F. Hofmann, profesor fizyki na Uniwersytecie Hiroshima w Japonii. „To nie jest poprawne. Aby spojrzeć, musisz mieć światło, a światło zmienia przedmiot”. Dzieje się tak, ponieważ nawet pojedynczy foton światła przenosi energię z lub do obiektu, który oglądasz.
Hofmann i Kartik Patekar, który był wówczas studentem wizytującym na Uniwersytecie Hiroszima, a obecnie w Indian Institute of Technology Bombay, zastanawiali się, czy można szukać bez „płacenia ceny”. Wylądowali na matematycznej strukturze, która oddziela początkową interakcję (patrząc na kota) od odczytu (wiedząc, czy jest żywy, czy martwy).
„Naszą główną motywacją było bardzo uważne przyjrzenie się sposobowi pomiaru kwantowego” - powiedział Hofmann. „Kluczową kwestią jest to, że pomiar dzielimy na dwa etapy”.
W ten sposób Hoffman i Patekar są w stanie założyć, że wszystkie fotony zaangażowane w początkową interakcję lub zerknięcie na kota są wychwytywane bez utraty jakichkolwiek informacji o stanie kota. Przed odczytem wszystko, co należy wiedzieć o stanie kota (oraz o tym, jak to zmieniło), jest nadal dostępne. Dopiero gdy odczytamy informacje, część z nich utracimy.
„Co ciekawe, proces odczytu wybiera jeden z dwóch rodzajów informacji i całkowicie kasuje drugi”, powiedział Hofmann.
Oto jak opisali swoją pracę w kategoriach kota Schrödingera. Powiedzmy, że kot wciąż jest w pudełku, ale zamiast zaglądać do środka, aby ustalić, czy kot żyje, czy martwy, ustawisz aparat poza pudełkiem, który może w jakiś sposób zrobić w nim zdjęcie (na potrzeby eksperymentu myślowego, zignoruj fakt, że kamery fizyczne tak naprawdę nie działają). Po zrobieniu zdjęcia aparat ma dwa rodzaje informacji: jak kot zmienił się w wyniku zrobienia zdjęcia (co naukowcy nazywają znacznikiem kwantowym) i czy kot żyje, czy nie żyje po interakcji. Żadna z tych informacji nie została jeszcze utracona. W zależności od tego, jak zdecydujesz się „rozwinąć” obraz, odzyskujesz jedną lub drugą informację.
Pomyśl o przewróceniu monety, powiedział Live Science firmie Hofmann. Możesz zdecydować, czy wiesz, czy moneta została przewrócona, czy obecnie jest na głowie lub reszce. Ale nie możesz znać obu. Co więcej, jeśli wiesz, jak zmienił się układ kwantowy i jeśli zmiana ta jest odwracalna, możliwe jest przywrócenie jej stanu początkowego. (W przypadku monety odwróciłbyś ją.)
„Zawsze najpierw musisz przeszkadzać systemowi, ale czasem możesz go cofnąć” - powiedział Hofmann. Z punktu widzenia kota oznaczałoby to zrobienie zdjęcia, ale zamiast rozwinięcia go, aby wyraźnie zobaczyć kota, rozwinięcie go w taki sposób, aby przywrócić kota do stanu martwego i żywego.
Co najważniejsze, wybór odczytu wiąże się z kompromisem między rozdzielczością pomiaru a jego zakłóceniem, które są dokładnie takie same, jak pokazuje papier. Rozdzielczość odnosi się do tego, ile informacji jest pobieranych z układu kwantowego, a zakłócenie odnosi się do tego, jak bardzo układ jest nieodwracalnie zmieniony. Innymi słowy, im więcej wiesz o obecnym stanie kota, tym bardziej bezpowrotnie go zmieniłeś.
„To, co mnie zaskoczyło, to fakt, że zdolność do usunięcia zakłóceń jest bezpośrednio związana z ilością informacji o obserwowalnym poziomie” lub o fizycznej wielkości, którą mierzą, powiedział Hofmann. „Matematyka jest tutaj dość dokładna”.
Chociaż poprzednie prace wskazywały na kompromis między rozdzielczością a zaburzeniami w pomiarze kwantowym, ten dokument jest pierwszym, który określa ilościowo dokładny związek, Michael Hall, fizyk teoretyczny z Australian National University, powiedział Live Science w e-mailu.
„O ile mi wiadomo, żadne poprzednie wyniki nie miały formy dokładnie równej rozdzielczości i zakłóceń” - powiedział Hall, który nie był zaangażowany w badanie. „To sprawia, że podejście przedstawione w artykule jest bardzo schludne”.
