Schrödingerova koťata nikdy byl velmi roztomilý, a poslední vrh není výjimkou. Obrazy mlhavých mraků ultracoldových atomů nebo mikroskopických proužků křemíku pravděpodobně nebudou na internetu virové. Přesto tyto exotické objekty stojí za pozornost, protože ukazují s nebývalou jasností, že kvantová mechanika není jen fyzika extrémně malých.

„Schrödingerova koťata,“ volně řečeno, jsou objekty, posazený uprostřed ve velikosti mezi atomární velikosti, které kvantová mechanika byla původně vyvinuta k popisu, a kočka, která Erwin Schrödinger skvěle uplatnit upozornit na zjevnou absurditu toho, co, že teorie se zdála naznačovat. Tyto systémy jsou „mesoskopických“ — snad kolem velikost viry nebo bakterie, skládá se z mnoha tisíce nebo dokonce miliardy atomů, a tedy mnohem větší, než typické váhy, na které neintuitivní kvantově-mechanické vlastnosti se obvykle objeví. Jsou navrženy tak, aby zkoumaly otázku: jak velký můžete získat při zachování těchto kvantových vlastností?

Chcete-li soudit podle nejnovějších výsledků, odpověď zní: zatraceně velký. Dva různé typy experimentů — a to jak z nich provádí několika skupin nezávisle na sobě ukázaly, že obrovské počty atomů může být umístěn v kolektivní kvantové stavy, kde nemůžeme s jistotou říci, že systém má jednu sadu vlastností, nebo jiný. V jedné sadě experimentů, to znamenalo, „zamotáním“ dvě oblasti cloud studené atomy, aby se jejich vlastnosti vzájemně závislé a koreluje tak, že se zdá, nedbajíc jejich prostorové oddělení. V ostatních byly mikroskopické vibrační objekty manévrovány do takzvaných superpozic vibračních stavů. Oba výsledky jsou volně tak, jako Schrödingerova kočka, zatímco schované v krabici, byl řekl, aby byl v superpozici živé a mrtvé státy.

Na otázku, jak pravidla kvantové mechaniky proměnit zřejmě docela jiná pravidla klasické mechaniky — tam, kde objekty mají dobře definované vlastnosti, postoje a cesty — se zmateně vědci od té doby kvantové teorie byl nejprve vyvinut na počátku 20.století. Existuje nějaký zásadní rozdíl mezi velkými klasickými objekty a malými kvantovými? Tento hlavolam takzvaného kvantově-klasického přechodu byl ikonickým způsobem zvýrazněn Schrödingerovým myšlenkovým experimentem.

chudák kočka je hodně nepochopená šelma. Schrödingerův bod nebyl, jak často naznačoval, zjevnou absurditou kvantové mechaniky, pokud by byl extrapolován na každodenní měřítko. Kočka byl produkt korespondence mezi Schrödingerova a Albert Einstein, poté, co Einstein kritizoval interpretaci kvantové mechaniky prosazovaná dánský fyzik Niels Bohr a jeho kolegové.

Bohr tvrdil, že kvantová mechanika se zdá, nás nutí k závěru, že vlastnosti kvantových objektů, jako jsou elektrony nemají dobře definované hodnoty, dokud jsme je změřit. Einsteinovi se zdálo šílené, že nějaký prvek reality závisí na našem vědomém zásahu, aby byl vytvořen. Se dvěma mladšími kolegy, Borisem Podolským a Nathanem Rosenem, představil v roce 1935 myšlenkový experiment, který zřejmě tuto interpretaci znemožnil. Tři z nich (jejichž práce nyní jde o kolektivní označení EPR) poznamenal, že částice mohou být vytvořeny ve státech, které musí být v korelaci s navzájem, v tom smyslu, že pokud jeden z nich má zvláštní hodnotu pro některé nemovitosti, další musí mít nějaké jiné konkrétní hodnoty. V případě dvou elektronů, které mají vlastnost zvanou spin, jedno otočení může směřovat „nahoru“, zatímco spinové body druhého elektronu „dolů“.“

V případě, že podle Einsteina a jeho kolegy, pokud Bohr je správné a skutečné směry otáčení jsou neurčité, dokud budete měřit, pak korelace dvou zatočení znamená, že měření jedné z nich okamžitě opravuje orientace na druhé — bez ohledu na to, jak daleko částic. Einstein nazval toto zjevné spojení “ strašidelnou akcí na dálku.“Ale takový jev by měl být nemožný, protože Einsteinova teorie speciální relativity ukazuje, že žádný vliv se nemůže šířit rychleji než světlo.

Schrödinger nazval tuto korelaci mezi částicemi “ zapletením.“Experimenty od 70. let ukázaly, že se jedná o skutečný kvantový jev. Ale to neznamená, že kvantové částice se mohou nějakým způsobem navzájem ovlivňovat okamžitě napříč vesmírem prostřednictvím Einsteinovy strašidelné akce. Je lepší říci, že jedna částice je v kvantové vlastnosti nejsou nutně determinovat na jednom pevném místě v prostoru, ale může být „nelokální“: plně specifikována pouze ve vztahu k jinému částic jinde, a to způsobem, který se zdá podkopat naši intuitivní představu o prostoru a vzdálenosti.

Schrödingerova kočka vznikla z jeho úvah o zvláštnostech zapletení EPR. Schrödinger chtěl ukázat, jak by Bohrova představa, že nic není fixováno, dokud není měřeno, mohla vést k logické absurditě, kdybychom si představovali vyfukování zapletení do každodenní velikosti. Jeho myšlenkový experiment umístí nešťastnou kočku do uzavřené krabice s lahvičkou smrtícího jedu,kterou lze rozbít nějakým mechanismem, který ji spojuje s kvantovou částicí nebo událostí. Spoušť může pocházet z elektronu, rozbití lahvičky, pokud má rotaci nahoru, ale ne, pokud má rotaci dolů. Poté můžete elektron připravit v takzvané superpozici stavů, ve kterých jsou možné výsledky měření jak směrem nahoru, tak směrem dolů. Pokud je však rotace před měřením neurčena, musí to být i stav kočky — neexistuje způsob, jak smysluplně říci, zda je živá nebo mrtvá. A to je jistě nesmyslné.

Schrödingerova okamžiku spočívala nejen v tom, že kvantová pravidla vedou k zjevný nesmysl, když se aplikuje v každodenní scale — nemusíte kočka. Spíše chtěl najít extrémní ukázka toho, jak odložit jakýkoli úkol určitém stavu (živý nebo mrtvý), dokud měření byla provedena (po otevření krabice se podívat) by mohlo vést k důsledkům, které se zdají nejen zvláštní, ale logicky zakázáno.

Bohr toho by se zdálo, že neplatný scénář — měření, jako je otevření krabice a pohledu na kočku, byla pro něj vždy makroskopické a proto klasický proces, takže kvantová pravidla již neplatí. Ale jak pak měření zajistí magickou transformaci z kvantové na klasickou?

místo toho, aby se o tom hádali, proč prostě neudělat experiment? Problém je, když to bylo všechno velmi dobře pro Schrödingerova k představte si, že kočka „kvantové“ tím, tažné, aby to nějaká atomová měřítku události, to není vůbec jasné, jak — nebo dokonce, zda — můžeme dělat, že škálování až v praxi, nebo opravdu to, co superpozice živý a mrtvý by mohlo znamenat z hlediska kvantové stavy.

Ale s moderní techniky, můžeme si představit vytvoření dobře definované kvantové superpositions relativně velké objekty — není tak velký jako kočky, ale mnohem větší, než osamělé atomy — a zkoumají jejich vlastnosti. To je to, o čem je snaha vytvořit Schrödingerova koťata.

„spousta fyziků to opravdu nečekejte žádné překvapení ve velkém měřítku,“ řekl Simon Gröblacher z Delft University of Technology v Nizozemsku. „Ale prostě není známo, co se stane, když začnete vytvářet kvantové stavy s přibližně 1023 atomy,“ což je typická stupnice každodenních předmětů.

nové experimenty ukazují, že navzdory tomu, co si Schrödinger myslel, relativně velké objekty mohou skutečně vykazovat kontraintuitivní kvantové chování.

Gröblacher a jeho kolegové vytvořili mikroby křemíku, každý 10 mikrometrů dlouhý a 1 x 0,25 mikrometrů v průřezu. Každý z nich představoval otvory podél paprsků, které by absorbovaly a zachycovaly infračervené laserové světlo. Vědci pak tyto paprsky vzrušili světlem poslaným v superpozici cest, jeden ke každému paprsku. Tímto způsobem dokázali zamotat dva paprsky do jediného kvantového vibračního stavu. Dalo by se to považovat za velmi malý ekvivalent dvou zapletených koček.

Další druh zapletení mezi mechanické oscilátory bylo hlásil, v back-to-back papíry s Gröblacher tým v Přírodě, Mika Sillanpää z Aalto University ve Finsku a kolegy. Spojili dva mikroskopické plechy podobné bubnové hlavě pomocí supravodivého drátu. Drát může obsahovat elektrický proud kmitající při mikrovlnných frekvencích (asi 5 miliard vibrací za sekundu); jeho elektromagnetické pole vyvíjí tlak na vibrační desky. „Elektromagnetické pole působí jako jakési médium, které nutí dva drumheads do kvantové státu,“ Sillanpää řekl.

Vědci již dlouho snaží dosáhnout kvantové jevy, jako je superpozice a zapletení se do „velké“ micromechanical oscilátory, jako jsou tyto, které mají miliardy atomů v nich. „Zamotané stavy mechanických oscilátorů byly teoreticky diskutovány od konce 70. let, ale teprve v posledních několika letech bylo technicky možné takové stavy vytvořit,“ řekl Sillanpää.

to, Co dělá tyto experimenty, jako je tour de force, je, že se zabránilo proces, který obecně transformuje velké objekty z nich řídí kvantové pravidla na ty, které poslouchají klasické fyziky. Zdá se, že tento proces poskytuje chybějící část (alespoň většinu) hádanky měření, kterou Bohr nechal tak šíleně vágní.

říká se tomu decoherence — a spíše úhledně je to všechno o zapletení. Podle kvantové mechaniky je zapletení nevyhnutelným výsledkem jakékoli interakce mezi dvěma kvantovými objekty. Takže pokud objekt — kočka, říct — začíná v superpozice stavů, které superpozice — quantumness, dalo by se říct — se šíří jako objekt komunikuje s okolím a stává se čím dál více zaplétá. Ale pokud chcete skutečně pozorovat superpozici, budete muset odvodit kvantové chování všech zapletených částic. To se rychle stává nemožným, stejně jako je nemožné sledovat všechny atomy v kousku inkoustu, když se rozptýlí v bazénu. Kvůli interakci s prostředím uniká kvantová povaha původní částice a je rozptýlena. To je decoherence.

Kvantoví teoretici ukázali, že decoherence vede k druhu chování v klasické fyzice. A experimentátorů ukázaly to experimenty, které můžete ovládat rychlost, že dekoherence, kde charakteristické kvantové efekty, jako jsou vlnové interference částic postupně mizí, jako dekoherence výnosů.

Decoherence je tedy ústředním bodem současného chápání kvantově-klasického přechodu. Schopnost objektu ukázat kvantové chování, jako je interference, superpozice a korelace vyvolané zapletením, nemá nic společného s tím, jak velká je. Místo toho záleží na tom, jak je zapletený se svým prostředím.

nicméně velikost obecně hraje roli, protože čím větší je objekt, tím snadněji se může zaplést se svým prostředím a rozložit. Velký, teplý, neklidný objekt jako kočka nemá naději, že zůstane v kvantově-mechanické superpozici jakéhokoli druhu a bude se více či méně okamžitě rozkládat.

Pokud si prostě držet kočku v krabici a odkaz jeho osud na výsledek nějaké kvantové události, nejste pravděpodobné, že dát do superpozice živý a mrtvý, protože dekoherence se téměř okamžitě zahnat do jednoho státu, nebo druhé. Pokud byste mohli potlačit decoherence odstraněním veškeré interakce s prostředím (bez zabití kočky v ultracold vakuu!)- no, pak je to jiný příběh a argumenty přetrvávají. Je téměř nemožné si představit, jak toho pro kočku dosáhnout. Ale to je v podstatě to, co týmy Gröblacher a Sillanpää dosáhly svými malými oscilátory.

Místo toho pracují na kvantový-klasické hranice od shora dolů, jestli můžeme vykouzlit quantumness do vibrační objekt, když je dostatečně malé, můžeme přijít na to zdola nahoru. Protože víme, že kvantové efekty, jako je superpozice a interference, jsou snadno vidět v jednotlivých atomech a dokonce i v malých molekulách, mohli bychom se divit, jak daleko lze tyto účinky udržet, když přidáváme další atomy. Tři týmy mají nyní prozkoumal tuto otázku, dosažení kvantové stavy pro mraky až desítky tisíc ultracold atomů tím, tenatové je ve stavu nazývá Bose-Einsteinova kondenzátu (BEC).

Einstein a Indický fyzik Satyendra Nath Bose poukázal na to, že takový stav může existovat mezi bosony (pojmenovaný pro Bose), jeden ze dvou obecných tříd základních částic. V BEC jsou všechny částice ve stejném jediném kvantovém stavu, což ve skutečnosti znamená, že se chovají spíše jako jeden velký kvantový objekt. Protože to je kvantový efekt, Bose-Einsteinova kondenzace se stane pouze při velmi nízkých teplotách, a v BEC byla vidět pouze v jeho nejčistší podobě — mrak bosonic částice — v roce 1995, v atomy rubidia se ochladí na pouhých pár miliardtin určitý stupeň nad absolutní nulou.

BECs vyrobené z takových ultracold atomů daly fyzikům nové médium pro zkoumání kvantových jevů. V minulosti vědci ukázali, že takový mrak — možná několik tisíc atomů — může být umístěn do stavu, ve kterém jsou všechny atomy kvantově zapleteny dohromady.

nejsou to striktně Schrödingerova koťata, řekl Carsten Klempt z Leibniz University Hannover v Německu. Ty jsou obecně definovány jako superpositions států, které jsou tak odlišné, jak by mohla být: například, všechny s spin nahoru a dolů spin (analogické k „živý“ a „mrtvý“). To není případ těchto zamotaných mraků atomů. Přesto stále vykazují kvantové chování v relativně velkém měřítku.

existuje však důležitější podmínka pro myšlenku, že se jedná o“ kitten-scale “ provedení zapletení ve stylu EPR. Všechny atomy jsou ve vesmíru neuspořádané a jsou identické a nerozeznatelné. To znamená, že i když jsou zapletené, nemůžete to vidět z hlediska korelace mezi vlastností jednoho objektu zde a jiného objektu tam. „Bose-Einstein kondenzátů ultracold atomy se skládají z velké soubory k nerozeznání atomy, doslova stejné v jakékoliv fyzické pozorovatelné,“ Klempt řekl. „Proto v nich nelze realizovat původní definici zapletení.“Ve skutečnosti byl celý koncept zapletení mezi nerozlišitelnými částicemi teoreticky zpochybněn. „To je proto, že pojem zapletení vyžaduje možnost definovat subsystémy, které jsou provázané s ostatními,“ řekl Philipp Kunkel z Univerzity v Heidelbergu v Německu.

mnohem jasnější druh zapletení, přímo analogický k zapletení z prostorově oddělených částic v EPR myšlenkový experiment, se nyní prokázána ve třech samostatných experimentech Klempt tým v Hannover, Kunkel je skupina (v čele s Markusem Oberthaler) v Heidelbergu, a tým vedl Philipp Treutlein na Univerzitě v Basileji ve Švýcarsku. „Konflikt s klasickou fyzikou je obzvláště nápadný, když je pozorováno zapletení mezi takovými prostorově oddělenými systémy,“ řekl Treutlein. „To je situace, kterou dokument EPR z roku 1935 zvažuje.“

Všechny tři skupiny používá mraky stovky až tisíce atomů rubidia drženy v elektromagnetických pastí pole (buď vyrobené mikroskopické zařízení na „atom čip“ nebo generované zkřížené laserové paprsky). Vědci použili infračervené lasery k excitaci kvantových přechodů v rotacích atomů a hledali korelace mezi hodnotami spinu, které jsou výmluvným znakem zapletení. Zatímco skupiny Heidelberg a Basel řešily dvě různé oblasti v jednom velkém oblaku, Klemptova skupina skutečně rozdělila mrak vložením oblasti prázdného prostoru uprostřed.

Basileji a Heidelbergu skupin prokázána zapletení přes efekt tzv. kvantového řízení, v jehož zjevná provázanost obou zapletený regionů je využívána tak, že měření provedené na jedné z nich, aby vědci předpovídají, měření jiné. „Termín‘ řízení ‚zavedl Schrödinger,“ vysvětlil Treutlein. „Odkazuje na skutečnost, že v závislosti na výsledku měření v oblasti a se kvantový stav, který používáme k popisu změn systému B.“Ale to neznamená, že tam je nějaký okamžitý přenos informací nebo komunikace mezi a a B. „nikdo nemůže řídit stát vzdálený systém deterministicky, protože výsledek měření je stále pravděpodobnostní,“ řekl Kunkel. „Neexistuje žádný příčinný vliv.“

Tyto výsledky jsou „velmi vzrušující,“ řekl Jens Eisert ze Svobodné Univerzity v Berlíně, který nebyl zapojen do práce. „Zapletení do atomových par bylo generováno dávno předtím, „řekl,“ ale to, co se zde liší, jsou úrovně adresovatelnosti a kontroly v těchto systémech.“

Kromě jasnější ukázka zapletení, když existuje mezi prostorově oddělených regionů, tam je také praktickou výhodu, že dělat věci tímto způsobem: můžete řešit samostatné regiony individuálně pro kvantové zpracování informace. „Není možné ani v zásadě řešit jednotlivé atomy v BEC, aniž by to ovlivnilo všechny ostatní atomy, pokud jsou všechny na stejném místě,“ řekl Treutlein. „Pokud však můžeme individuálně řešit dvě prostorově oddělené oblasti, zapletení bude k dispozici pro kvantové informační úkoly, jako je kvantová teleportace nebo výměna zapletení.“To však bude vyžadovat, aby se fyzické oddělení mraků zvýšilo nad rámec toho, co bylo provedeno v současných experimentech, dodal. V ideálním případě, řekl Klempt, rozdělili byste mrak dále na individuálně adresovatelné atomy.

„Velké“ kvantové objekty, jako jsou tyto, by nám také mohly umožnit zkoumat novou fyziku: například zjistit, co se stane, když gravitace začne mít významný vliv na kvantové chování. „S tímto novým způsobem řízení a manipulace s velkými zapletenými stavy by mohl být prostor pro sofistikované testy kvantových efektů v gravitačních teoriích,“ řekl Eisert. To bylo navrhl, například, že gravitační účinky může vyvolat fyzické zhroucení kvantových stavů do klasických, nápad, který je v principu přístupný experiment na superpositions nebo zapletený státy velké masy. Treutlein řekl, že jeden způsob, jak otestovat fyzickou-kolaps modelů zahrnuje rušení mezi odlišné atomové „záležitost vlny“ — a dodal, že jeho skupina je rozdělena, zapletený BEC může působit jako takový atom interferometr. „Většina fyziků pravděpodobně neočekává náhlý rozpad kvantové fyziky,“ řekl Klempt. Kunkel však dodal, že “ je to stále otevřená otázka, experimentálně i teoreticky, pokud existuje zásadní limit velikosti objektů, které mohou být navzájem zapleteny.“

„nejzajímavější otázkou je, zda existuje nějaká zásadní velikost, kde člověk nemůže v nějakém smyslu dělat zapletení,“ řekl Sillanpää. „To by znamenalo, že do obrazu vstoupí něco jiného kromě normální kvantové mechaniky, a to by mohlo být například zhroucení v důsledku gravitace.“Pokud gravitace hraje roli, může to nabídnout několik rad, jak vyvinout teorii kvantové gravitace, která spojuje v současné době nekompatibilní teorie kvantové mechaniky a obecné relativity.

To by byl pro Schrödingerova koťata docela převrat. Prozatím posilují obecné přesvědčení, že na kvantovém chování není nic zvláštního, kromě toho, že se točí do stále zamotanější kočičí kolébky, ze které vychází naše klasická síť. A žádná kočka nemusí být zabita v tomto procesu.