Laserski impulz je odskočil od atoma rubidija in vstopil v kvantni svet - prevzel čudno fiziko "Schrödingerjeve mačke." Potem je še ena naredila isto. Potem pa še en.
Laserski impulzi niso odraščali mučnic ali tac. Toda postali so podobni znameniti kvantno-fizikalni misli, da je eksperiment Schrödingerjeve mačke pomenil na pomemben način: bili so veliki predmeti, ki so delovali kot istočasno mrtva in živa bitja subatomske fizike - obstajala v okončini med dvema sočasnima, nasprotujočima si stanjem. In laboratorij na Finskem, kjer so se rodili, ni imel omejitev, koliko bi lahko ustvarili. Impuls po impulzu se je spremenil v bitje kvantnega sveta. In te "kvantne mačke", čeprav so obstajale le delček sekunde znotraj eksperimentalnega stroja, so lahko bile nesmrtne.
"V našem eksperimentu smo to napravo takoj poslali v detektor, zato je bila po njenem nastanku uničena," je dejal Bastian Hacker, raziskovalec Inštituta za kvantno optiko Max Planck v Nemčiji, ki je delal na eksperimentu.
Ampak to ni moralo biti tako, je Hacker povedal Live Science.
"Optično stanje lahko živi večno. Če bi impulz poslali ven v nočno nebo, bi v svojem stanju lahko živeli več milijard let."
"Dolgoživost je del tega, zaradi česar so ti impulzi tako koristni," je dodal. Dolgoživa laserska mačka lahko preživi dolgotrajno potovanje skozi optično vlakno, zaradi česar je dobra enota informacij za mrežo kvantnih računalnikov.
Kvantna mačka, mrtva in živa
Kaj torej pomeni narediti laserski impulz kot Schrödingerjeva mačka? Najprej mačka ni bila hišni ljubljenček. Fizičar Erwin Schrödinger je leta 1935 predlagal miselni eksperiment, da bi opozoril na čisto nerazumnost kvantne fizike, ki sta ga nato s svojimi sodelavci šele odkrivala.
Takole: Kvantna fizika narekuje, da ima pod določenimi pogoji lahko delec hkrati dve nasprotujoči si lastnosti. Zasuk delca (kvantna meritev, ki ni ravno videti kot predenje, ki ga vidimo na makro lestvici), je lahko "navzgor", hkrati pa "navzdol". Šele ko izmerimo njegovo vrtenje, se delci tako ali drugače zrušijo.
Fiziki imajo več razlag tega vedenja, vendar najbolj priljubljena (imenovana kopenhagenska razlaga) pravi, da se delci v resnici ne zavrtijo ali zavrtijo, preden se opazijo. Do tedaj je v nekakšnem meglenem mrežnem svetu med državami, o tistih ali drugih pa odloča le takrat, ko ga prisili zunanji opazovalec.
Schrödinger je opazil, da ima to nekaj bizarnih posledic.
Zamislil si je nepregledno jekleno škatlo, ki vsebuje mačko, atom in zaprto stekleno vialo s strupom. Če bi atom razpadel (možnost, vendar ni zanesljiva stvar, zahvaljujoč kvantni mehaniki), bi mehanizem v škatli razbil steklo in ubil mačko. Če atom ne bi razpadel, bi mačka živela. Mačko pustite v škatli eno uro, je dejal Schrödinger in mačka bi se končala v "superpoziciji" med življenjem in smrtjo.
Problem s tem, kar je namigoval, je, da to sploh nima smisla.
In vendar je Schrödingerjeva mačka postala nekakšna uporabna okrajšava za makroskopske stvari, ki upoštevajo zakone klasične fizike, vendar posegajo v kvantne predmete, tako da nimajo niti ene niti druge lastnosti niti popolnoma druge.
V novem poskusu, opisanem v članku, objavljenem 14. januarja v reviji Nature Photonics, so raziskovalci ustvarili laserske impulze, ki so v superpoziciji med dvema možnima kvantnima stanjama. Majhne impulze so poimenovali "leteča optična stanja mačk."
Da bi jih naredili, so najprej omejili atom rubidija v votlino med dvema zrcaloma, široko le 0,02 palca (približno širino zrnja soli). Atom je lahko v enem od treh stanj: dveh "prizemljenih" stanjih ali enem "vznemirjenem" stanju. Ko je svetloba vstopila v votlino, se je zapletla z atomom, kar pomeni, da je bilo njeno stanje v osnovi povezano s stanjem atoma.
Potem, ko je svetlobni impulz udaril v detektor svetlobe, je imel opazne znake vmesnosti, niti v celoti ne deluje, kot da je bil zapleten z eno ali drugo vrsto atoma. Bila je leteča mačka, narejena iz svetlobe.
Ta vmesnost je povezana s položajem svetlobnih valov, je dejal Hacker. Potem ko se je odbila od atoma, se je svetloba še naprej premikala po vesolju kot val: hrib in dolina, hrib in dolina.
Toda postalo je negotovo, ali bo svetlobni val v nekem trenutku dosegel vrh hriba ali se spustil navzdol v dolino, je Hacker povedal Live Science.
Svetloba je delovala, kot da bi imela vsaj dva različna vala, ki sta sestavljala, vsak zrcalna slika drugega.
(V resnici bi lahko imela svetloba še več možnih oblik. Njegov val je imel vedno vsaj nekaj možnosti, da zasede vsako točko med vrhom "hriba" in dnom "doline". dve najverjetnejši negotovi državi.)
Raziskovalci so povedali, da bi bila sposobnost pošiljanja gibljivih mačk iz enega kraja v drugega koristna za kvantno mreženje. To je zato, ker se bodo kvantna omrežja verjetno zanašala na pošiljanje svetlobe med kvantnimi računalniki in ne na elektriko.
"Najlažje bi jih poslali posamezni fotoni, a ko se izgubijo, njihove nošene informacije odpadejo," je dejal. "Mačja stanja lahko kodirajo kvantne informacije na način, ki omogoča zaznavanje optičnih izgub in njihovo popravljanje. Čeprav ima vsak optični prenos izgube, se informacije lahko pošljejo brezhibno."
Če rečem, je treba še veliko delati. Medtem ko so raziskovalci lahko mačke ustvarili "determinirano", kar pomeni, da se je mačka pojavila vsakič, ko so izvedli poskus, mačke niso vedno preživele kratkega potovanja do sprejemnika svetlobe. Optika je zapletena in včasih je lučka utripala, preden smo prišli tja.
Tudi razumna oseba se lahko vpraša, ali ti svetlobni impulzi res štejejo za Schrödingerjeve mačke. Gotovo so klasični predmeti - kar pomeni, da sledijo determinističnim zakonom velikih predmetov - toda raziskovalci so v prispevku priznali, da je laser v merilu le štirih fotonov na robu makroskopske in kvantne lestvice; in tako bi lahko rekli, da so makroskopski le pod najširšimi definicijami.
"Dejansko malo fotonov ni nič blizu makroskopskemu objektu v resničnem svetu," je dejal Hacker. "Točka koherentnih optičnih impulzov, kot smo jih uporabili, je v tem, da lahko amplitudo nenehno povečujemo brez kakršnih koli temeljnih omejitev."
Z drugimi besedami, zagotovo, to je nekaj drobnih mačk. Toda ni razloga, da iste osnovne ideje ne bi mogli uporabiti za izdelavo nekaterih velikanskih Schrödingerjevih mač.
Toda raziskovalci so bili na koncu samozavestni pri uporabi izraza in "optično leteče stanje mačke" ga ima zares.
