Fysikere lavede en flyvende hær af Laser Schrödingers katte

En laserpuls sprang ud af et rubidiumatom og gik ind i kvanteverdenen - idet han tog på den underlige fysik af "Schrödingers kat." Så gjorde en anden den samme ting. Så en anden.

Laserimpulserne voksede ikke snørre eller poter. Men de blev som det berømte kvantefysik-tankeeksperiment Schrödingers kat på en vigtig måde: De var store genstande, der handlede som de samtidig døde og levende væsener af subatomisk fysik - der eksisterede i en limbo mellem to samtidige, modstridende tilstande. Og laboratoriet i Finland, hvor de blev født, havde ingen grænse for, hvor mange de kunne lave. Puls efter puls blev til en skabning af kvanteverdenen. Og disse "kvantekatte", skønt de kun eksisterede i en brøkdel af et sekund inde i forsøgsmaskinen, havde potentialet til at være udødelige.

"I vores eksperiment blev [laserkatten] straks sendt til detektoren, så den blev ødelagt lige efter dens oprettelse," sagde Bastian Hacker, en forsker ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Tyskland, der arbejdede med eksperimentet. [Videnskabsfakta eller fiktion? Sandsynligheden for 10 Sci-Fi-begreber]

Men det skulle ikke være sådan, fortalte Hacker .

"En optisk tilstand kan leve for evigt. Så hvis vi havde sendt pulsen ud på nattehimlen, kunne den leve i milliarder af år i sin [kattelignende] tilstand."

Denne levetid er en del af, hvad der gør disse impulser så nyttige, tilføjede han. En langlivet laserkat kan overleve langsigtet rejse gennem en optisk fiber, hvilket gør den til en god informationsenhed for et netværk af kvantecomputere.

Kvantekat, død og levende

Så hvad betyder det at lave en laserpuls som Schrödingers kat? Først og fremmest var katten ikke et kæledyr. Det var et tankeeksperiment, som fysiker Erwin Schrödinger foreslog i 1935 for at påpege den rene urimelighed i kvantefysikken, som han og hans kolleger derefter bare opdagede. [Sådan fungerer kvanteforviklinger (Infographic)]

Sådan går det: Kvantefysik dikterer, at en partikel under særlige forhold kan have to modstridende træk på samme tid. En partikels spin (en kvantemåling, der ikke helt ligner den spinding, vi ser i makroskalaen) er muligvis "op", mens den også er "nede." Først når dens omdrejning måles, kollapser partiklen den ene eller den anden måde.

Fysikere har adskillige fortolkninger af denne opførsel, men den mest populære (kaldet Københavns fortolkning) siger, at partiklen ikke rigtig spinder op eller spinder ned, før den observeres. Indtil da er det i en slags uklar verden mellem stater og beslutter kun det ene eller det andet, når det tvinges til af en ekstern observatør.

Schrödinger bemærkede, at dette havde nogle bisarre implikationer.

Han forestillede sig en uigennemsigtig stålkasse, der indeholdt en kat, et atom og et forseglet glasflaske med giftgas. Hvis atomet forfaldt (en mulighed, men ikke en sikker ting, takket være kvantemekanikken), ville en mekanisme i kassen sprænge glasset og dræbe katten. Hvis atomet ikke forfaldt, ville katten leve. Lad katten være i kassen i en time, sagde Schrödinger, og katten ville ende i en "superposition" mellem liv og død.

Problemet med det, antydede han, er, at det overhovedet ikke giver mening.

Og alligevel er Schrödingers kat blevet en slags nyttig korthed til makroskala ting, der overholder lovene i klassisk fysik, men interagerer med kvanteobjekter, så de hverken har en helt bestemt egenskab eller en anden egenskab.

I det nye eksperiment, der er beskrevet i et papir, der blev offentliggjort 14. januar i tidsskriftet Nature Photonics, skabte forskere laserimpulser, der er i superposition mellem to mulige kvantetilstander. De kaldte de små pulser "flyvende optiske kattetilstande."

For at gøre dem begrænsede de først rubidiumatomet til et hulrum mellem to spejle, kun 0,02 inches (0,5 millimeter) bredt (ca. bredden af ​​et saltkorn). Atomet kan være i en af ​​tre tilstande: to "jord" -tilstande eller en "ophidset" tilstand. Da lyset kom ind i hulrummet, blev det sammenfiltret med atomet, hvilket betyder, at dens tilstand grundlæggende var knyttet til atomets tilstand.

Derefter, når lyspulsen ramte en lysdetektor, havde den tydelige tegn på in-betweenness, hverken fuldstændigt fungerer som om den var sammenfiltret med en slags atom eller en anden. Det var en flyvende kat lavet af lys.

Denne uafhængighed havde at gøre med lysbølgenes placering, sagde Hacker. Efter at have set et blik på atomet fortsatte lyset med at bevæge sig gennem rummet som en bølge: bakke og dal, bakke og dal.

Men det blev usikkert, om lysbølgen på et givet tidspunkt nåede toppen af ​​en bakke eller faldt ned i en dal, fortalte Hacker .

Lyset virkede som om det havde mindst to forskellige bølger, der udgjorde det, hver et spejlbillede af den anden.

(I virkeligheden kunne lyset have endnu mere mulige former: Bølgen havde altid mindst en chance for at besætte hvert punkt mellem toppen af ​​en "bakke" og bunden af ​​en "dal." Men to spejlbølger repræsenterede to mest sandsynlige usikre stater.)

Forskerne sagde, at nede ad vejen kunne denne evne til at sende bevægelige katte fra et sted til et andet være nyttig til kvantet netværk. Det skyldes, at kvantenetværk sandsynligvis vil stole på at sende lys frem og tilbage mellem kvantecomputere, sagde Hacker snarere end elektricitet.

"Den nemmeste ting at sende ville være enkeltfotoner, men når de går tabt [som ofte sker], er deres transporterede information forsvundet," sagde han. "Kattestater kan kode kvanteoplysninger på en måde, der gør det muligt for [os] at registrere optisk tab og korrigere for det. Selvom hver optisk transmission har tab, kan informationen transmitteres perfekt."

Når det er sagt, er der stadig arbejde, der skal gøres. Mens forskerne var i stand til at skabe kattene "deterministisk", hvilket betyder, at en kat dukkede op, hver gang de udførte deres eksperiment, overlevede kattene ikke altid den korte tur til lysmodtageren. Optik er vanskelig, og undertiden blinkede lyset ud, inden de kommer dertil.

En fornuftig person kan også spørge, om disse lyspulser virkelig tæller som Schrödingers katte. Det er bestemt klassiske objekter - hvilket betyder, at de følger de deterministiske love for store objekter - men forskerne erkendte i papiret, at i en skala på kun fire fotoner var laseren på kanten af ​​makroskopisk og kvanteskala; og så kunne man siges at være makroskopiske under kun de bredeste definitioner.

"Faktisk [få] få fotoner er intet tæt på et ægte, makroskopisk objekt," sagde Hacker. "Pointen med sammenhængende optiske impulser som dem, vi brugte, er, at amplituden kan opskaleres kontinuerligt uden nogen grundlæggende grænse."

Med andre ord, dette er nogle små katte. Men der er ingen grund til, at den samme grundide ikke kunne bruges til at gøre nogle gigantiske Schrödinger-feliner.

Men forskerne var i sidste ende sikre på at bruge udtrykket, og "optisk flyvende katte-tilstand" har en ring til det.

• De 9 største uopløste mysterier i fysik
• De store numre, der definerer universet
• Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings

Oprindeligt offentliggjort den .