Phillip Hopkins
0 
4141
852
En laserpuls sprang av et rubidiumatom og kom inn i kvanteverden - og tok på seg den rare fysikken til "Schrödingers katt." Så gjorde en annen det samme. Så en annen.
Laserpulser vokste ikke opp knekk eller labb. Men de ble som det berømte kvantefysikk-tankeeksperimentet Schrödingers katt på en viktig måte: De var store gjenstander som opptrådte som samtidig døde og levende skapninger av subatomisk fysikk - som eksisterte i en limbo mellom to samtidige, motstridende tilstander. Og laboratoriet i Finland der de ble født hadde ingen grenser for hvor mange de kunne lage. Puls etter puls ble til en skapning av kvanteverdenen. Og de "kvantekattene", selv om de bare eksisterte i en brøkdel av et sekund inne i forsøksmaskinen, hadde potensial til å være udødelige.
"I eksperimentet vårt ble [laserkatten] sendt til detektoren umiddelbart, så den ble ødelagt rett etter opprettelsen," sier Bastian Hacker, en forsker ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Tyskland, som arbeidet med eksperimentet. [Vitenskapsfakta eller fiksjon? Sannsynligheten for 10 Sci-Fi-konsepter]
Men det måtte ikke være slik, fortalte Hacker .
"En optisk tilstand kan leve for alltid. Så hvis vi hadde sendt pulsen ut på nattehimmelen, kunne den leve i milliarder av år i sin [kattelignende] tilstand."
Den lang levetiden er en del av det som gjør disse pulser så nyttige, la han til. En langlevet laserkatt kan overleve langvarig reise gjennom en optisk fiber, noe som gjør den til en god informasjonsenhet for et nettverk av kvantecomputere.
Kvantekatt, død og levende
Så hva betyr det å lage en laserpuls som Schrödingers katt? Først av alt, katten var ikke et kjæledyr. Det var et tankeeksperiment som fysiker Erwin Schrödinger foreslo i 1935 for å påpeke den rene urimeligheten i kvantefysikken han og kollegene da bare oppdaget. [Hvordan kvantforvirring fungerer (infografisk)]
Slik går det: Kvantefysikk dikterer at en partikkel under spesielle forhold kan ha to motstridende trekk samtidig. En partikkelsnurr (en kvantemåling som ikke helt ser ut som spinningen vi ser i makroskalaen) kan være "oppe" mens den også er "nede." Først når spinnet blir målt, kollapser partikkelen den ene eller den andre veien.
Fysikere har flere tolkninger av denne oppførselen, men den mest populære (kalt København-tolkningen) sier at partikkelen ikke egentlig spinner opp eller spinner ned før den blir observert. Inntil da er det i en slags disig verden mellom stater, og bestemmer bare det ene eller det andre når de blir tvunget til av en utenforstående observatør.
Schrödinger la merke til at dette hadde noen bisarre implikasjoner.
Han forestilte seg en ugjennomsiktig stålboks, som inneholdt en katt, et atom og et forseglet glassflaske med giftgass. Hvis atomet forfalt (en mulighet, men ikke en sikker ting, takket være kvantemekanikk), ville en mekanisme i boksen knuste glasset og drepe katten. Hvis atomet ikke forfalt, ville katten leve. La katten ligge i boksen i en time, sa Schrödinger, og katten ville havne i en "superposisjon" mellom liv og død.
Problemet med det, antydet han, er at det ikke gir mening i det hele tatt.
Og allikevel har Schrödingers katt blitt en slags nyttig stenografi for makroskala ting som overholder lovene i klassisk fysikk, men samhandler med kvanteobjekter slik at de verken helt har en egenskap eller helt en annen.
I det nye eksperimentet, beskrevet i en artikkel publisert 14. januar i tidsskriftet Nature Photonics, skapte forskere laserpulser som er i superposisjon mellom to mulige kvantetilstander. De kalte de små pulsene "flygende optiske kattestater."
For å lage dem begrenset de først rubidiumatomet til et hulrom mellom to speil, bare 0,02 tommer (0,5 millimeter) bredt (omtrent bredden av et saltkorn). Atomet kan være i en av tre tilstander: to "bakken" -tilstander eller en "opphisset" tilstand. Da lyset kom inn i hulrommet, ble det sammenfiltret med atomet, noe som betyr at dens tilstand var grunnleggende knyttet til atomets tilstand.
Da lyspulsen traff en lysdetektor, hadde den tydelige tegn på innbyrdes motstand, og verken fullstendig fungerte som om den var viklet inn i et eller annet slags atom. Det var en flyvende katt laget av lys.
Det mellom hverandre hadde å gjøre med lysbølgenes stilling, sa Hacker. Etter å ha kikket fra atomet, fortsatte lyset å bevege seg gjennom verdensrommet som en bølge: bakke og dal, bakke og dal.
Men det ble usikkert om lysbølgen på et gitt tidspunkt nådde toppen av en høyde eller falt ned i en dal, fortalte Hacker .
Lyset virket som om det hadde minst to forskjellige bølger som utgjorde det, hver et speilbilde av den andre.
(I virkeligheten kunne lyset ha enda flere mulige former: Bølgen hadde alltid minst en sjanse til å okkupere hvert punkt mellom toppen av en "bakke" og bunnen av en "dal." Men to speilbilde bølger representerte to mest sannsynlige usikre stater.)
Forskerne sa at nede i veien kan denne evnen til å sende flyttende katter fra ett sted til et annet være nyttig for kvantenettverk. Det er fordi kvantenettverk sannsynligvis vil stole på å sende lys frem og tilbake mellom kvantecomputere, sa Hacker, snarere enn strøm.
"Den enkleste tingen å sende ville være enkeltfotoner, men når de går seg vill [som ofte skjer], blir den frakte informasjonen deres borte," sa han. "Kattetilstander kan kode kvanteinformasjon på en måte som lar [oss] oppdage optisk tap og korrigere for det. Selv om hver optisk overføring har tap, kan informasjonen overføres perfekt."
Når det er sagt, er det fortsatt arbeid som skal gjøres. Mens forskerne klarte å skape kattene "deterministisk", noe som betyr at en katt dukket opp hver gang de utførte sitt eksperiment, overlevde ikke kattene alltid den korte turen til lysmottakeren. Optikk er vanskelig, og noen ganger blinket lyset ut før de kommer dit.
En rimelig person kan også stille spørsmål ved om disse lyspulsene virkelig teller som Schrödingers katter. Det er absolutt klassiske gjenstander - noe som betyr at de følger de deterministiske lovene for store objekter - men forskerne erkjente i papiret at i en skala fra bare fire fotoner var laseren på kanten av makroskopisk og kvanteskala; og slik at de kan sies å være makroskopiske under bare den bredeste definisjonen.
"Ja, noen få fotoner er ikke noe i nærheten av et virkelighetsnært, makroskopisk objekt," sa Hacker. "Poenget med sammenhengende optiske pulser som de vi brukte er at amplituden kan skaleres opp kontinuerlig uten noen grunnleggende grense."
Med andre ord, dette er noen små katter. Men det er ingen grunn til at den samme grunnideen ikke kunne brukes til å gjøre noen gigantiske Schrödinger-katter.
Men forskerne var til syvende og sist trygge på å bruke begrepet, og "optisk flygende kattestat" har en ring til det.
- De 9 største uløste mysteriene i fysikk
- De store tallene som definerer universet
- Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings
Opprinnelig publisert på .