Najcięższego kota Schrödingera uzyskano, umieszczając mały kryształ w superpozycji dwóch stanów oscylacji

Nawet jeśli nie jesteś fizykiem kwantowym, prawdopodobnie słyszałeś o słynnym kocie Schrödingera. Erwin Schrödinger wymyślił koty, które mogą być jednocześnie żywe i martwe w eksperymencie myślowym w 1935 roku. Pozorna sprzeczność — w końcu w życiu codziennym widzimy tylko koty żywe lub martwe — skłoniła naukowców do spróbowania nadać sens sytuacjom Podobne in vitro. Do tej pory udało im się to zrobić, używając na przykład atomów lub cząsteczek w kwantowo-mechanicznych stanach superpozycji, czyli przebywania w dwóch miejscach w tym samym czasie.

W ETH zespół naukowców kierowany przez Yiwena Chu, profesora z Laboratorium Fizyki Ciała Stałego, stworzył znacznie cięższego kota Schrödingera, umieszczając mały kryształ w superpozycji dwóch stanów oscylacji. Wyniki zostały opublikowane w tym tygodniu w czasopiśmie Naukimoże doprowadzić do powstania potężniejszych kubitów 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 z materiałem radioaktywnym, licznikiem Geigera i fiolką z trucizną. W określonym przedziale czasu — na przykład godzinie — atom w materii może z pewnym prawdopodobieństwem rozpaść się lub nie w procesie mechaniki kwantowej, a produkty rozpadu mogą spowodować eksplozję licznika Geigera i uruchomić mechanizm, który rozbija fiolkę zawierającą trucizna, która ostatecznie zabije kota.

Ponieważ postronny obserwator nie może wiedzieć, czy atom rzeczywiście się rozpadł, nie wie też, czy kot żyje, czy nie – zgodnie z mechaniką kwantową, która rządzi rozpadem atomu, musi on znajdować się w stanie superpozycji żywy/martwy. (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, który waży kilka kilogramów” – mówi Zhu. Zamiast tego, ona i jej współpracownicy zdołali stworzyć tak zwany stan kota za pomocą oscylującego kryształu reprezentującego kota, z obwodem nadprzewodzącym reprezentującym pierwotny atom. Ten obwód jest zasadniczo kubitem lub kubitem, który może przyjmować stany logiczne „0” lub „1” lub superpozycję obu stanów „0 + 1”.

Połączenie między kubitem a „kotem” kryształu nie jest licznikiem Geigera i trucizną, ale raczej warstwą 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 wibracje w przeciwnych kierunkach

W rezultacie kryształ może teraz obracać się w dwóch kierunkach jednocześnie – na przykład góra/dół i dół/góra. Te dwa kierunki reprezentują „żywy” lub „martwy” stan kota. „Nakładając na siebie dwa stany oscylacji w krysztale, skutecznie stworzyliśmy 16-mikrogramowego kota Schrödingera” – wyjaśnia Zhou. To mniej więcej masa drobnego ziarna piasku i nie jest tak masywna jak kot, ale wciąż jest kilka miliardów razy cięższa niż atom lub cząsteczka, co czyni go najgrubszym jak dotąd kotem kwantowym.

Aby chybotanie było prawdziwymi kocimi stanami, ważne jest, aby można je było odróżnić gołym okiem. Oznacza to, że separacja między stanami „w górę” i „w dół” musi być większa niż jakiekolwiek termiczne lub ilościowe fluktuacje pozycji atomów w krysztale. Zhou i współpracownicy zbadali 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.

Zmierz małe zakłócenia z przypadkami kotów

W przyszłości Chu chciałby jeszcze bardziej przesunąć granice bloków swoich kryształowych kotów. „To interesujące, ponieważ pozwoli nam lepiej zrozumieć, dlaczego efekty kwantowe znikają w makroskopowym świecie prawdziwych kotów” – mówi.

Oprócz tego nieco akademickiego zainteresowania, istnieją również potencjalne zastosowania w technologiach kwantowych. Na przykład informacje kwantowe przechowywane w kubitach można wzmocnić, stosując stany kota składające się z dużej liczby atomów w krysztale, zamiast polegać na pojedynczych atomach lub jonach, jak to jest obecnie praktykowane. Ponadto ekstremalna wrażliwość masywnych obiektów w stanach superpozycji na szum zewnętrzny może być wykorzystana do precyzyjnych pomiarów małych zaburzeń, takich jak fale grawitacyjne, lub do wykrywania ciemnej materii.