Impuls laserowy odbił się od atomu rubidu i wszedł do świata kwantowego, przyjmując dziwną fizykę „kota Schrödingera”. Potem inny zrobił to samo. Potem kolejny.
Impulsy laserowe nie wyhodowały wąsów ani łap. Stały się jednak jak słynny eksperyment myśli kwantowo-fizyki w istotny sposób kot Schrödingera: były to duże obiekty, które zachowywały się jak martwe i żywe stworzenia fizyki subatomowej - istniejące w otchłani między dwoma równoczesnymi, sprzecznymi stanami. Laboratorium w Finlandii, w którym się urodzili, nie miało ograniczenia co do liczby. Puls za pulsem zamieniał się w stworzenie świata kwantowego. A te „kwantowe koty”, choć istniały przez ułamek sekundy w eksperymentalnej maszynie, miały potencjał, by być nieśmiertelnym.
„W naszym eksperymencie został on natychmiast wysłany do detektora, więc został zniszczony zaraz po jego utworzeniu” - powiedział Bastian Hacker, badacz z Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka w Niemczech, który pracował nad eksperymentem.
Ale nie musiało tak być, powiedział Hacker w Live Science.
„Stan optyczny może żyć wiecznie. Więc gdybyśmy wysłali puls na nocne niebo, mógłby żyć w miliardach lat w takim stanie”.
Dodał, że ta długowieczność jest częścią tego, co sprawia, że te impulsy są tak przydatne. Długowieczny kot laserowy może przetrwać długoterminową podróż przez światłowód, co czyni go dobrą jednostką informacji dla sieci komputerów kwantowych.
Kwantowy kot, martwy i żywy
Co to znaczy zrobić impuls laserowy jak kot Schrödingera? Po pierwsze, kot nie był zwierzakiem. Był to eksperyment myślowy, który fizyk Erwin Schrödinger zaproponował w 1935 r., Aby zwrócić uwagę na nieuzasadnioną fizykę kwantową, którą on i jego koledzy dopiero wtedy odkryli.
Oto jak to wygląda: fizyka kwantowa dyktuje, że w określonych warunkach cząstka może mieć jednocześnie dwie sprzeczne cechy. Spin cząstki (pomiar kwantowy, który nie do końca przypomina spin, który widzimy w skali makro) może być „w górę”, a jednocześnie „w dół”. Dopiero gdy mierzy się jego spin, cząstka zapada się w jedną lub drugą stronę.
Fizycy mają kilka interpretacji tego zachowania, ale najbardziej popularna (zwana interpretacją kopenhaską) mówi, że cząstka tak naprawdę nie wiruje ani nie wiruje przed jej zaobserwowaniem. Do tego czasu znajduje się w niejasnym mglistym świecie między państwami i decyduje o tym tylko wtedy, gdy jest zmuszony przez zewnętrznego obserwatora.
Schrödinger zauważył, że ma to dziwne implikacje.
Wyobraził sobie nieprzezroczyste stalowe pudełko zawierające kota, atom i zamkniętą szklaną fiolkę z trującym gazem. Gdyby atom rozpadł się (możliwe, ale nie pewne, dzięki mechanice kwantowej), mechanizm w pudełku rozbiłby szkło, zabijając kota. Gdyby atom nie rozpadł się, kot żyłby. Schrödinger powiedział, że zostaw kota w pudle na godzinę, a kot skończy w „superpozycji” między życiem a śmiercią.
Problem z tym, jak sugerował, polega na tym, że nie ma to żadnego sensu.
A jednak kot Schrödingera stał się swego rodzaju przydatnym skrótem dla rzeczy w skali makro, które są zgodne z prawami fizyki klasycznej, ale wchodzą w interakcje z obiektami kwantowymi, tak że nie mają ani jednej cechy, ani zupełnie innej.
W nowym eksperymencie, opisanym w artykule opublikowanym 14 stycznia w czasopiśmie Nature Photonics, naukowcy stworzyli impulsy laserowe, które są w superpozycji między dwoma możliwymi stanami kwantowymi. Nazywali małe impulsy „latającymi optycznymi stanami kotów”.
Aby je wykonać, najpierw zamknęli atom rubidu we wnęce między dwoma zwierciadłami o szerokości zaledwie 0,02 cala (0,5 milimetra) (około szerokości ziarenka soli). Atom może znajdować się w jednym z trzech stanów: dwóch stanach „gruntowych” lub jednym stanie „wzbudzonym”. Kiedy światło weszło do jamy, zaplątało się w atom, co oznacza, że jego stan był zasadniczo związany ze stanem atomu.
Następnie, gdy puls światła uderzył w detektor światła, miał wyraźne oznaki pośrednictwa, które nie działały całkowicie tak, jakby były uwikłane w taki czy inny atom. Był to latający kot zrobiony ze światła.
Hacker powiedział, że to pośrednie wiązało się z pozycją fal świetlnych. Po zejściu z atomu światło nadal poruszało się w przestrzeni jako fala: wzgórze i dolina, wzgórze i dolina.
Ale stało się niepewne, czy w danym momencie fala światła dociera do szczytu wzgórza, czy schodzi do doliny, powiedział Hacker w Live Science.
Światło działało tak, jakby tworzyły go co najmniej dwie różne fale, z których każda jest lustrzanym odbiciem drugiej.
(W rzeczywistości światło mogło mieć jeszcze więcej możliwych kształtów: jego fala zawsze miała przynajmniej pewną szansę na zajęcie każdego punktu między szczytem „wzgórza” a dnem „doliny”. Ale dwie fale odbicia lustrzanego reprezentowały dwa najprawdopodobniej niepewne stany).
Naukowcy powiedzieli, że ta umiejętność wysyłania ruchomych kotów z jednego miejsca do drugiego może być użyteczna w sieci kwantowej. To dlatego, że sieci kwantowe prawdopodobnie będą polegały na wysyłaniu światła tam iz powrotem między komputerami kwantowymi, jak powiedział Hacker, a nie na elektryczności.
„Najłatwiejszą rzeczą do wysłania byłyby pojedyncze fotony, ale kiedy się zgubiły, ich informacje o nich zniknęły” - powiedział. „Stany Cat mogą kodować informacje kwantowe w sposób, który pozwala wykryć straty optyczne i je skorygować. Chociaż każda transmisja optyczna ma straty, informacje można przesyłać idealnie”.
To powiedziawszy, wciąż jest wiele do zrobienia. Podczas gdy badacze byli w stanie stworzyć koty „deterministycznie”, co oznacza, że kot pojawiał się za każdym razem, gdy przeprowadzali eksperyment, koty nie zawsze przeżywały krótką podróż do odbiornika światła. Optyka jest trudna i czasem światło mrugnęło, zanim tam dotarła.
Rozsądna osoba może również zapytać, czy te impulsy świetlne naprawdę liczą się jako koty Schrödingera. Z pewnością są to obiekty klasyczne - co oznacza, że podążają za deterministycznymi prawami obiektów wielkoskalowych - ale naukowcy uznali w artykule, że w skali zaledwie czterech fotonów laser znajdował się na krawędzi skali makroskopowej i kwantowej; można więc powiedzieć, że są makroskopowe tylko w najszerszej definicji.
„Rzeczywiście, niewiele fotonów jest niczym zbliżonym do rzeczywistego, makroskopowego obiektu” - powiedział Hacker. „Punktem spójnych impulsów optycznych, takich jak te, których użyliśmy, jest to, że amplituda może być skalowana w sposób ciągły bez żadnych podstawowych ograniczeń”.
Innymi słowy, z pewnością są to małe koty. Ale nie ma powodu, aby ten sam podstawowy pomysł nie mógł zostać wykorzystany do stworzenia gigantycznych kotów Schrödingera.
Ale naukowcy byli ostatecznie pewni, że używają tego terminu, a „optyczny stan latającego kota” ma w tym swój udział.
