Ένας παλμός λέιζερ αναπήδησε από ένα άτομο ρουβιδίου και μπήκε στον κβαντικό κόσμο - λαμβάνοντας την περίεργη φυσική της "γάτας του Schrödinger". Τότε ένα άλλο έκανε το ίδιο πράγμα. Τότε άλλο.
Οι παλμοί λέιζερ δεν αναπτύσσονται μούχλα ή πόδια. Αλλά έγιναν σαν το περίφημο πείραμα σκέψης της κβαντο-φυσικής του Schrödinger με ένα σημαντικό τρόπο: ήταν μεγάλα αντικείμενα που λειτουργούσαν σαν τα ταυτόχρονα νεκρά και ζωντανά πλάσματα της υποατομικής φυσικής που υπάρχουν σε ένα κενό μεταξύ δύο ταυτόχρονων, αντιφατικών καταστάσεων. Και το εργαστήριο στη Φινλανδία όπου γεννήθηκαν δεν είχε κανένα όριο για το πόσα θα μπορούσαν να κάνουν. Ο παλμός μετά τον παλμό μετατράπηκε σε ένα πλάσμα του κβαντικού κόσμου. Και αυτές οι «κβαντικές γάτες», αν και υπήρχαν μόνο για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μέσα στην πειραματική μηχανή, είχαν τη δυνατότητα να είναι αθάνατοι.
"Στο πείραμά μας, το έστειλε στον ανιχνευτή αμέσως, οπότε καταστράφηκε αμέσως μετά τη δημιουργία του", δήλωσε ο Bastian Hacker, ερευνητής στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής του Max Planck στη Γερμανία, ο οποίος εργάστηκε στο πείραμα.
Αλλά δεν έπρεπε να είναι έτσι, ο Χάκερ είπε στη Live Science.
"Μια οπτική κατάσταση μπορεί να ζήσει για πάντα. Έτσι, αν είχαμε στείλει τον παλμό έξω στον νυχτερινό ουρανό, θα μπορούσε να ζήσει για δισεκατομμύρια χρόνια στην κατάσταση του."
Αυτή η μακροζωία είναι μέρος αυτού που κάνει τους παλμούς τόσο χρήσιμοι, πρόσθεσε. Μια μακροχρόνια γάτα λέιζερ μπορεί να επιβιώσει μακροπρόθεσμα από μια οπτική ίνα, καθιστώντας την καλή μονάδα πληροφοριών για ένα δίκτυο κβαντικών υπολογιστών.
Κβαντική γάτα, νεκρή και ζωντανή
Τι σημαίνει να κάνεις έναν παλμό λέιζερ σαν τη γάτα του Schrödinger; Πρώτα απ 'όλα, η γάτα δεν ήταν κατοικίδιο ζώο. Ήταν ένα πείραμα που ο φυσικός Erwin Schrödinger πρότεινε το 1935 για να επισημάνει την απόλυτη αδικαιολόγητη κβαντική φυσική που αυτός και οι συνάδελφοί του μόλις ανακάλυψαν μόλις.
Εδώ είναι πώς πηγαίνει: Η κβαντική φυσική υπαγορεύει ότι, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, ένα σωματίδιο μπορεί να έχει δύο αντιφατικά χαρακτηριστικά ταυτόχρονα. Η περιστροφή ενός σωματιδίου (μια κβαντική μέτρηση που δεν μοιάζει αρκετά με την περιστροφή που βλέπουμε στη μακροοικονομική κλίμακα) μπορεί να είναι "επάνω" ενώ είναι επίσης "κάτω". Μόνο όταν μετριέται η περιστροφή του, το σωματίδιο καταρρέει ο ένας ή ο άλλος.
Οι φυσικοί έχουν αρκετές ερμηνείες αυτής της συμπεριφοράς, αλλά η πιο δημοφιλής (που ονομάζεται ερμηνεία της Κοπεγχάγης) λέει ότι το σωματίδιο δεν γυρίζει προς τα πάνω ή δεν υποχωρεί πριν παρατηρηθεί. Μέχρι τότε, είναι σε ένα είδος θολού netherworld μεταξύ των κρατών, και αποφασίζει μόνο για το ένα ή το άλλο όταν αναγκάζονται να από έναν εξωτερικό παρατηρητή.
Ο Schrödinger παρατήρησε ότι αυτό είχε κάποιες παράξενες επιπτώσεις.
Φαντάστηκε ένα αδιαφανές κουτί από χάλυβα, που περιείχε γάτα, ένα άτομο και ένα σφραγισμένο γυάλινο φιαλίδιο δηλητηριώδους αερίου. Εάν το άτομο αποσυντεθεί (μια πιθανότητα, αλλά όχι ένα σίγουρο πράγμα, χάρη στην κβαντική μηχανική), ένας μηχανισμός στο κουτί θα σπάσει το γυαλί, σκοτώνοντας τη γάτα. Εάν το άτομο δεν κατέρρευσε, η γάτα θα ζούσε. Αφήστε τη γάτα στο κουτί για μια ώρα, είπε ο Schrödinger και η γάτα θα καταλήξει σε μια "υπέρθεση" μεταξύ ζωής και θανάτου.
Το πρόβλημα με αυτό, υπονοούσε, είναι ότι δεν έχει καθόλου νόημα.
Και όμως, η γάτα του Schrödinger έχει γίνει ένα είδος χρήσιμης στενογραφίας για πράγματα μεγάλης κλίμακας που υπακούουν στους νόμους της κλασικής φυσικής, αλλά αλληλεπιδρούν με κβαντικά αντικείμενα, που δεν έχουν ούτε ένα μόνο χαρακτηριστικό ούτε εξ ολοκλήρου άλλο.
Στο νέο πείραμα, που περιγράφεται σε ένα άρθρο που δημοσιεύθηκε στις 14 Ιανουαρίου στο περιοδικό Nature Photonics, οι ερευνητές δημιούργησαν παλμούς λέιζερ που βρίσκονται σε υπέρθεση μεταξύ δυο πιθανών κβαντικών καταστάσεων. Κάλεσαν τους μικρούς παλμούς "που φέρουν οπτικές γάτα καταστάσεις."
Για να τα καταστήσουν, περιορίστηκαν πρώτα το άτομο του ρουβιδίου σε μια κοιλότητα μεταξύ δύο καθρεπτών πλάτους μόλις 0,02 ίντσες (0,5 χιλιοστά) (περίπου το πλάτος ενός κόκκου αλατιού). Το άτομο μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις τρεις καταστάσεις: δύο «γειωμένες» καταστάσεις ή μία «διεγερμένη» κατάσταση. Όταν το φως εισχώρησε στην κοιλότητα, έγινε εμπλοκή με το άτομο, που σημαίνει ότι η κατάστασή του συνδέθηκε θεμελιωδώς με την κατάσταση του ατόμου.
Στη συνέχεια, όταν ο παλμός φωτός χτύπησε έναν ανιχνευτή φωτός, είχε ενδείξεις ενδιάμεσου χαρακτήρα, ούτε ενεργούσε εντελώς σαν να ήταν εμπλεγμένο με ένα είδος ατόμου ή άλλο. Ήταν μια ιπτάμενη γάτα φτιαγμένη από το φως.
Αυτή η αλληλεπίδραση είχε να κάνει με τη θέση των φωτεινών κυμάτων, είπε ο Χάκερ. Αφού εξέτασε το άτομο, το φως συνέχιζε να κινείται μέσα στο διάστημα ως κύμα: λόφος και κοιλάδα, λόφος και κοιλάδα.
Αλλά έγινε αβέβαιο αν σε κάθε δεδομένη στιγμή το κύμα του φωτός έφτανε στην κορυφή ενός λόφου ή κατεβαίνοντας σε μια κοιλάδα, ο Χάκερ είπε στη Live Science.
Το φως δρα σαν να είχε τουλάχιστον δύο διαφορετικά κύματα, κάθε ένα να είναι μια κατοπτρική εικόνα του άλλου.
(Στην πραγματικότητα, το φως θα μπορούσε να έχει ακόμα πιο δυνατά σχήματα: Το κύμα του είχε πάντα τουλάχιστον κάποια πιθανότητα να καταλαμβάνει κάθε σημείο μεταξύ της κορυφής ενός "λόφου" και του πυθμένα μιας "κοιλάδας". Αλλά δύο κύματα κατοπτρικών εικόνων αντιπροσώπευαν δυο πιθανότατα αβέβαιες καταστάσεις.)
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι κάτω από το δρόμο, αυτή η ικανότητα να στέλνουν κινούμενες γάτες από το ένα μέρος στο άλλο θα μπορούσε να είναι χρήσιμη για την κβαντική δικτύωση. Αυτό συμβαίνει επειδή η κβαντική δικτύωση πιθανότατα θα βασίζεται στην αποστολή φωτός πίσω και πίσω μεταξύ κβαντικών υπολογιστών, δήλωσε ο Hacker, και όχι ηλεκτρική ενέργεια.
"Το πιο εύκολο πράγμα που θα στείλετε θα είναι μεμονωμένα φωτόνια, αλλά όταν χάνονται, οι μεταφερόμενες πληροφορίες τους έχουν φύγει", είπε. "Οι καταστάσεις Cat μπορούν να κωδικοποιήσουν τις κβαντικές πληροφορίες κατά τρόπο που να επιτρέπει την ανίχνευση των οπτικών απωλειών και τη διόρθωσή τους." Αν και κάθε οπτική μετάδοση έχει απώλειες, οι πληροφορίες μπορούν να μεταδοθούν απόλυτα.
Τούτου λεχθέντος, υπάρχουν ακόμη εργασίες που πρέπει να γίνουν. Ενώ οι ερευνητές ήταν σε θέση να δημιουργήσουν τις γάτες «προσδιοριστικά», που σημαίνει ότι μια γάτα εμφανίστηκε κάθε φορά που έκαναν το πείραμά τους, οι γάτες δεν επιβίωναν πάντα στο σύντομο ταξίδι στον δέκτη φωτός. Τα οπτικά είναι δύσκολα, και μερικές φορές το φως έσβησε πριν φτάσουμε εκεί.
Επίσης, ένας λογικός άνθρωπος μπορεί να αμφισβητήσει αν αυτοί οι ελαφροί παλμοί πραγματικά μετράνε ως γάτες του Schrödinger. Είναι σίγουρα κλασσικά αντικείμενα - δηλαδή ακολουθούν τους ντετερμινιστικούς νόμους των αντικειμένων μεγάλης κλίμακας - αλλά οι ερευνητές αναγνώρισαν στο χαρτί ότι σε μια κλίμακα μόλις τεσσάρων φωτονίων το λέιζερ βρισκόταν στην άκρη της μακροσκοπικής και κβαντικής κλίμακας. και έτσι μπορεί να λεχθεί ότι είναι μακροσκοπικά μόνο με τον ευρύτερο ορισμό.
"Πράγματι, μερικά φωτόνια δεν είναι κοντά σε ένα πραγματικό μακροσκοπικό αντικείμενο", δήλωσε ο Hacker. "Το σημείο των συνεκτικών οπτικών παλμών, όπως αυτά που χρησιμοποιήσαμε, είναι ότι το εύρος μπορεί να κλιμακωθεί συνεχώς χωρίς κανένα βασικό όριο".
Με άλλα λόγια, σίγουρα, αυτά είναι μερικές μικροσκοπικές γάτες. Αλλά δεν υπάρχει κανένας λόγος ότι η ίδια βασική ιδέα δεν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει κάποιες γιγαντιαίες σκυλιά Schrödinger.
Αλλά οι ερευνητές ήταν τελικά σίγουροι για τη χρήση του όρου, και "οπτική κράτησης κατάσταση γάτα" έχει ένα δαχτυλίδι σε αυτό.
