Naukowcy z ETH Zurich poczynili postępy w tworzeniu cięższych niż atomy „kotów Schrödingera”, które mogą być jednocześnie żywe (na górze) i martwe (na dole).
Nawet jeśli nie jesteś fizykiem kwantowym, najprawdopodobniej słyszałeś o słynnym kocie Schrödingera. Erwin Schrödinger wymyślił koty, które mogą być jednocześnie żywe i martwe w swoim eksperymencie myślowym w 1935 roku. Oczywista sprzeczność – w końcu w życiu codziennym widzimy tylko koty żywe lub martwe – skłoniła naukowców do próby zrealizowania analogicznej sytuacji w laboratorium. Do tej pory udało im się to zrobić, wykorzystując np. atomy lub cząsteczki w kwantowo-mechanicznych stanach superpozycji, polegających na znajdowaniu się w dwóch miejscach jednocześnie.
Może Cię zainteresować także: „Nicość” nie istnieje – zamiast tego jest „piana kwantowa”
W ETH Zurich zespół naukowców kierowany przez Yiwena Chu, profesora w Laboratorium Fizyki Ciała Stałego, stworzył teraz znacznie „cięższego kota Schrödingera”, umieszczając mały kryształ w superpozycji dwóch stanów oscylacyjnych.
Ich wyniki, które zostały opublikowane w tym tygodniu w czasopiśmie Science, mogą doprowadzić do bardziej wytrzymałych bitów kwantowych i rzucić światło na tajemnicę, dlaczego superpozycje kwantowe nie są obserwowane w świecie makroskopowym.
Kot w pudełku
W oryginalnym eksperymencie myślowym Schrödingera kot jest zamknięty w metalowym pudełku wraz z substancją radioaktywną, licznikiem Geigera i butelką trucizny. W pewnych ramach czasowych – powiedzmy w ciągu godziny – atom w substancji może, ale nie musi, ulec rozpadowi w procesie mechaniki kwantowej z pewnym prawdopodobieństwem, a produkty rozpadu mogą spowodować wyłączenie licznika Geigera i uruchomienie mechanizmu, który rozbija kolba zawierająca truciznę, która ostatecznie zabiłaby kota.
Ponieważ zewnętrzny obserwator nie może wiedzieć, czy atom rzeczywiście się rozpadł, nie wie też, czy kot jest żywy, czy martwy — zgodnie z mechaniką kwantową, która rządzi rozpadem atomu, powinien znajdować się w stanie: żywy/martwy stan superpozycji. (Pomysł Schrödingera upamiętnia naturalnej wielkości postać kota przed jego dawnym domem przy Huttenstrasse 9 w Zurychu).
„Oczywiście w laboratorium nie możemy przeprowadzić takiego eksperymentu z prawdziwym kotem ważącym kilka kilogramów” – powiedział Chu. Zamiast tego ona i jej współpracownicy zdołali stworzyć tak zwany stan kota za pomocą oscylującego kryształu, który reprezentuje kota, z obwodem nadprzewodzącym reprezentującym pierwotny atom. Obwód ten jest zasadniczo bitem kwantowym lub kubitem, który może przyjmować stany logiczne „0” lub „1” lub superpozycję obu stanów „0+1”.
Łącznikiem między kubitem a „kotem-kryształem” nie jest licznik Geigera i trucizna, ale raczej warstwa materiału piezoelektrycznego, który tworzy pole elektryczne, gdy kryształ zmienia kształt podczas oscylacji. To pole elektryczne może być sprzężone z polem elektrycznym kubitu, a zatem stan superpozycji kubitu może zostać przeniesiony na kryształ.
Jednoczesne oscylacje w przeciwnych kierunkach
W rezultacie kryształ może teraz oscylować w dwóch kierunkach jednocześnie — na przykład góra/dół i dół/góra. Te dwa kierunki reprezentują „żywy” lub „martwy” stan kota. „Umieszczając dwa stany oscylacji kryształu w superpozycji, skutecznie stworzyliśmy kota Schrödingera o wadze 16 μg (mikrogramów)” – wyjaśnia Chu. To mniej więcej masa drobnego ziarna piasku i nie jest zbliżona do masy kota, ale wciąż jest to rzecz kilka miliardów razy cięższa niż atom lub cząsteczka, co czyni go najgrubszym jak dotąd „kotem kwantowym”.
Aby stany oscylacyjne były prawdziwymi stanami kota, ważne jest, aby były one rozróżnialne makroskopowo. Oznacza to, że separacja stanów „w górę” i „w dół” powinna być większa niż jakiekolwiek termiczne lub kwantowe fluktuacje pozycji atomów wewnątrz kryształu. Chu i jej współpracownicy sprawdzili to, mierząc przestrzenną separację dwóch stanów za pomocą kubitu nadprzewodzącego. Chociaż zmierzona separacja wynosiła zaledwie jedną miliardową miliardowej części metra – w rzeczywistości mniej niż atom – była wystarczająco duża, aby wyraźnie rozróżnić stany.
Pomiar małych zakłóceń za pomocą stanów kotów
W przyszłości Chu chciałaby jeszcze bardziej przesunąć granice masy swoich kryształowych kotów. „To interesujące, ponieważ pozwoli nam lepiej zrozumieć przyczynę zaniku efektów kwantowych w makroskopowym świecie prawdziwych kotów” – mówi.
Oprócz tego raczej akademickiego zainteresowania istnieją również potencjalne zastosowania w technologiach kwantowych. Na przykład informacje kwantowe przechowywane w kubitach mogą być bardziej niezawodne dzięki wykorzystaniu stanów kota składających się z ogromnej liczby atomów w krysztale, zamiast polegać na pojedynczych atomach lub jonach, jak to się obecnie dzieje.
Ponadto ekstremalna wrażliwość masywnych obiektów w stanach superpozycji na szumy zewnętrzne może zostać wykorzystana do precyzyjnych pomiarów niewielkich zakłóceń, takich jak fale grawitacyjne lub do wykrywania ciemnej materii.
Więcej informacji: Marius Bild i in., Schrödinger cat States of a 16-microgram Mechanical oscillator, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adf7553
Informacje o czasopiśmie: Science
Dostarczane przez ETH Zurich
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: Oliver Morsch, ETH Zurich | Phys.org
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.