Schr Kristdingers killinger har aldrig været meget søde, og det nyeste kuld er ingen undtagelse. Billeder af nebulous skyer af ultrakolde atomer eller mikroskopiske strimler af silicium er usandsynligt at blive virale på internettet. Alligevel er disse eksotiske objekter værd at være opmærksomme på, fordi de med hidtil uset klarhed viser, at kvantemekanik ikke kun er den ekstremt lille fysik.

“Schr Kristdinger ‘ s killinger” er løst set objekter, der er anbragt midtvejs i størrelse mellem atomskalaen, som kvantemekanik oprindeligt blev udviklet til at beskrive, og den kat, som Ervin Schr Kristdinger berømt påberåbte sig for at fremhæve den tilsyneladende absurditet i, hvad denne teori syntes at antyde. Disse systemer er “mesoskopiske” -måske omkring størrelsen af vira eller bakterier, der består af mange tusinder eller endda milliarder atomer, og dermed meget større end de typiske skalaer, hvor kontraintuitive kvantemekaniske egenskaber normalt vises. De er designet til at undersøge spørgsmålet: hvor stor kan du få, mens du stadig bevarer disse kvanteegenskaber?

for at bedømme efter de seneste resultater er svaret: pretty darn big. To forskellige typer eksperimenter-begge udført af flere grupper uafhængigt-har vist, at et stort antal atomer kan placeres i kollektive kvantetilstande, hvor vi ikke helt sikkert kan sige, at systemet har et sæt egenskaber eller et andet. I et sæt eksperimenter betød dette at “vikle” to regioner i en sky af kolde atomer for at gøre deres egenskaber indbyrdes afhængige og korrelerede på en måde, der synes at være opmærksom på deres rumlige adskillelse. I den anden blev mikroskopiske vibrerende genstande manøvreret til såkaldte superpositioner af vibrationstilstande. Begge resultater er løst analoge med den måde, Schr Kristdinger berygtede kat, mens skjult væk i sin kasse, blev sagt at være i en superposition af levende og døde stater.

spørgsmålet om, hvordan kvantemekanikens regler bliver til de tilsyneladende helt forskellige regler for klassisk mekanik — hvor objekter har veldefinerede egenskaber, positioner og stier-har forvirret forskere lige siden kvanteteori blev først udviklet i det tidlige 20.århundrede. Er der nogen grundlæggende forskel mellem store klassiske objekter og små kvante? Denne gåde af den såkaldte kvante-klassiske overgang blev fremhævet på ikonisk måde af Schr Krimdingers tankeeksperiment.

den stakkels kat er et meget misforstået dyr. Schr kristdinger ‘ s punkt var ikke, som ofte antydet, den tilsyneladende absurditet af kvantemekanik, hvis den ekstrapoleres op til den daglige skala. Katten var et produkt af korrespondance mellem Schr Kristdinger og Albert Einstein, efter at Einstein havde kritiseret fortolkningen af kvantemekanik, der blev forkæmpet af den danske fysiker Niels Bohr og hans kolleger.Bohr argumenterede for, at kvantemekanik synes at tvinge os til at konkludere, at egenskaberne af kvanteobjekter som elektroner ikke har veldefinerede værdier, før vi måler dem. For Einstein virkede det vanvittigt, at et eller andet element i virkeligheden afhænger af vores bevidste indgriben for at skabe det. Med to yngre kolleger, Boris Podolsky og Nathan Rosen, præsenterede han et tankeeksperiment i 1935, der syntes at gøre denne fortolkning umulig. De tre af dem (hvis arbejde nu går under den kollektive etiket EPR) bemærkede, at partikler kan oprettes i tilstande, der skal korreleres med hinanden, i den forstand, at hvis en af dem har en bestemt værdi for en eller anden ejendom, skal den anden have en anden særlig værdi. I tilfælde af to elektroner, som har en egenskab kaldet spin, kan et spin pege “op”, mens den anden elektrons spin peger “ned.”

i så fald, ifølge Einstein og hans kolleger, hvis Bohr har ret, og de faktiske retninger for spins er ubestemte, indtil du måler dem, betyder korrelationen mellem de to spins, at måling af en af dem øjeblikkeligt løser orienteringen af den anden — uanset hvor langt væk partiklen er. Einstein kaldte denne tilsyneladende forbindelse “uhyggelig handling på afstand.”Men et sådant fænomen bør være umuligt, fordi Einsteins teori om særlig relativitet viser, at ingen indflydelse kan formere sig hurtigere end lys.

Schr Kristdinger kaldte denne sammenhæng mellem partiklerne “sammenfiltring.”Eksperimenter siden 1970′ erne har vist, at det er et ægte kvantefænomen. Men det betyder ikke, at kvantepartikler på en eller anden måde kan påvirke hinanden øjeblikkeligt på tværs af rummet gennem Einsteins uhyggelige handling. Det er bedre at sige, at en enkelt partikels kvanteegenskaber ikke nødvendigvis er bestemt på et fast sted i rummet, men kan være “ikke-lokale”: fuldt specificeret kun i forhold til en anden partikel andetsteds på en måde, der synes at undergrave vores intuitive forestilling om rum og afstand.

Schr Kristdinger ‘ s kat opstod ud af hans tanker om de særlige forhold ved EPR-sammenfiltring. Schr kristdinger ønskede at vise, hvordan Bohrs forestilling om, at intet er løst, før det måles, kunne føre til logisk absurditet, hvis vi forestillede os at sprænge sammenfiltring op til hverdagens størrelse. Hans tankeeksperiment placerer den ulykkelige kat i en lukket kasse med et hætteglas med dødelig gift, som kan brydes op af en eller anden mekanisme, der forbinder den med — faktisk vikler den med — en kvantepartikel eller begivenhed. Udløseren kan komme fra en elektron, bryde hætteglasset, hvis det har opadgående spin, men ikke hvis det har nedadgående spin. Du kan derefter forberede elektronen i en såkaldt superposition af tilstande, hvor både opadgående spin og nedadgående spin er mulige resultater af en måling. Men hvis spin er ubestemt før målingen, så skal det også være status for katten-der er ingen måde, du meningsfuldt kan sige, om den er levende eller død. Og det er helt sikkert meningsløst.

Schr Kristdinger ‘ s pointe var ikke blot, at kvanteregler fører til tilsyneladende nonsens, når de anvendes i daglig skala — du behøver ikke en kat til det. Snarere ønskede han at finde en ekstrem demonstration af, hvordan udsættelse af enhver tildeling af en bestemt tilstand (levende eller død), indtil måling er foretaget (ved at åbne kassen for at se ud) kunne føre til implikationer, der ikke kun synes underlige, men logisk forbudt.

til Bohr ville dette have virket som et ugyldigt scenarie — måling, såsom at åbne kassen og se på katten, var for ham altid en makroskopisk og derfor en klassisk proces, så kvanteregler ville ikke længere gælde. Men hvordan sikrer måling den magiske transformation fra kvante til klassisk?

i stedet for at argumentere for det, hvorfor ikke bare gøre eksperimentet? Problemet er, at selvom det var meget godt for Schr Kristinger at forestille sig at lave en kat “kvante” ved at koble den til en atomskala begivenhed, er det slet ikke klart, hvordan-eller faktisk om — vi kan gøre det opskalering i praksis, eller faktisk hvad en superposition af levende og døde kunne betyde med hensyn til kvantetilstande.

men med moderne teknikker kan vi forestille os at skabe veldefinerede kvanteoverpositioner af relativt store genstande-ikke så store som katte, men meget større end ensomme atomer — og undersøge deres egenskaber. Dette er, hvad bestræbelserne på at skabe Schr Kristdinger ‘ s killinger handler om.

“mange fysikere forventer ikke rigtig nogen overraskelser i store skalaer,” sagde Simon gr Turblacher fra Delft University of Technology i Holland. “Men det vides simpelthen ikke, hvad der vil ske, hvis du begynder at lave kvantetilstande med omkring 1023 atomer,” hvilket er den typiske skala for hverdagsobjekter.

de nye eksperimenter viser, at på trods af hvad Schr Kristdinger troede, kan relativt store objekter faktisk udvise kontraintuitiv kvanteopførsel.gr Turblacher og hans kolleger skabte mikrostråler af silicium, hver 10 mikrometer lang og 1 med 0,25 mikrometer i tværsnit. Hver enkelt indeholdt huller langs bjælkerne, der ville absorbere og fange infrarødt laserlys. Forskerne spændte derefter disse bjælker med lys sendt i en overlejring af stier, en til hver stråle. Ved at gøre det var de i stand til at vikle to bjælker ind i en enkelt kvantevibrationstilstand. Du kan tænke på det som den meget lille ækvivalent af to sammenfiltrede katte.

en anden form for sammenfiltring mellem mekaniske oscillatorer blev rapporteret i back-to-back papirer med Gr Turblacher ‘ s team in Nature, af Mika Sillanp for Aalto Universitet i Finland og kolleger. De koblede to mikroskopiske trommehovedlignende metalplader via en superledende ledning. 5 milliarder vibrationer pr. sekund); dets elektromagnetiske felt udøver et tryk på de vibrerende plader. “De elektromagnetiske felter fungerer som et slags medium, der tvinger de to trommehoveder ind i den sammenfiltrede kvantetilstand,” sagde Sillanp Kristian.

forskere har længe forsøgt at opnå kvanteeffekter som superposition og sammenfiltring i “store” mikromekaniske oscillatorer som disse, som har milliarder atomer i sig. “Sammenfiltrede tilstande af mekaniske oscillatorer er blevet diskuteret teoretisk siden slutningen af 1970′ erne, men kun inden for de sidste par år har det været teknisk muligt at oprette sådanne stater,” sagde Sillanp Purpur.

hvad der gør disse eksperimenter til en sådan tour de force er, at de undgår processen, der generelt omdanner store objekter fra dem, der styres af kvanteregler, til dem, der adlyder klassisk fysik. Denne proces ser ud til at give den manglende del (i det mindste det meste) af målepuslespillet, som Bohr efterlod så vanvittigt vagt.

det kaldes decoherence-og snarere pænt handler det om sammenfiltring. Ifølge kvantemekanik er sammenfiltring et uundgåeligt resultat af enhver interaktion mellem to kvanteobjekter. Så hvis et objekt — en kat, siger — starter i en superposition af stater, spredes den superposition — den kvantum, du måske siger — som objektet interagerer med sit miljø og bliver mere og mere indviklet med det. Men hvis du rent faktisk vil observere superpositionen, skal du udlede kvanteopførslen af alle de indviklede partikler. Dette bliver hurtigt umuligt, på samme måde som det bliver umuligt at spore alle atomer i en klat blæk, når det spredes i en svømmehal. På grund af interaktion med miljøet lækker den oprindelige partikels kvante karakter væk og spredes. Det er decoherens.Kvanteteoretikere har vist, at dekoherens giver anledning til den slags adfærd, der ses i klassisk fysik. Og eksperimentalister har bevist det i eksperimenter, der kan kontrollere decoherens-hastigheden, hvor de karakteristiske kvanteeffekter såsom bølgelignende interferens af partikler gradvist forsvinder, når decoherence fortsætter.

Decoherens er derfor central for den nuværende forståelse af den kvante-klassiske overgang. Et objekts evne til at vise kvanteopførsel, såsom interferens, superposition og sammenfiltringsinducerede korrelationer, har intet at gøre med, hvor stort det er. I stedet afhænger det af, hvor indviklet det er med sit miljø.

ikke desto mindre spiller størrelse generelt en rolle, fordi jo større et objekt er, jo lettere kan det blive viklet ind i dets miljø og decohere. En stor, varm, rastløs genstand som en kat har ikke et håb om at forblive i en kvantemekanisk superposition af nogen art og vil decohere mere eller mindre øjeblikkeligt.

Hvis du blot holder en kat i en kasse og forbinder dens skæbne med resultatet af en kvantebegivenhed, vil du sandsynligvis ikke sætte den i en superposition af levende og død, fordi decoherence næsten øjeblikkeligt vil tvinge den til en tilstand eller den anden. Hvis du kunne undertrykke decoherence ved at fjerne al interaktion med miljøet (uden at dræbe katten i et ultrakoldt vakuum!)- nå, så er det en anden historie, og argumenterne vedvarer. Det er næsten umuligt at forestille sig, hvordan man opnår det for en kat. Men det er i det væsentlige, hvad holdene fra GR Turtblacher og Sillanp turt har opnået med deres små oscillatorer.

i stedet for at arbejde mod den kvante-klassiske grænse fra toppen ned og se om vi kan trylle kvantum i et vibrerende objekt, når det er lille nok, kan vi komme på det fra bunden opad. Da vi ved, at kvanteeffekter som superposition og interferens let ses i individuelle atomer og endda små molekyler, kan vi undre os over, hvor langt disse effekter kan opretholdes, når vi fortsætter med at tilføje flere atomer. Tre hold har nu undersøgt dette spørgsmål og opnået kvantetilstande for skyer på op til titusinder af ultrakolde atomer ved at vikle dem i en tilstand kaldet et Bose-Einstein-kondensat (BEC).Einstein og den indiske fysiker Satyendra Nath Bose påpegede, at en sådan tilstand kan eksistere blandt bosoner (opkaldt efter Bose), en af de to generelle klasser af grundlæggende partikler. I en BEC er alle partiklerne i samme enkelt kvantetilstand, hvilket betyder, at de virker lidt som et stort kvanteobjekt. Fordi det er en kvanteeffekt, sker Bose-Einstein-kondens kun ved meget lave temperaturer, og en BEC blev kun set i sin reneste form — en sky af bosoniske partikler — i 1995 i atomer af rubidium afkølet til kun få milliarddele af en grad over absolut nul.

Bec ‘ er fremstillet af sådanne ultrakolde atomer har givet fysikere et nyt medium til at undersøge kvantefænomener. Tidligere har forskere vist, at en sådan sky — måske flere tusinde atomer — kan placeres i en tilstand, hvor alle atomer er kvanteindviklet sammen.det er ikke kun Schr-Kristingers killinger, siger Carsten klemt fra Hannover Universitet i Tyskland. Disse er generelt defineret som superpositioner af stater, der er så forskellige som kunne være: for eksempel alle med opadgående spin og alle med nedadgående spin (analogt med “levende” og “død”). Det er ikke tilfældet i disse sammenfiltrede skyer af atomer. Ikke desto mindre viser de stadig kvanteopførsel i relativt stor skala.

Der er dog et vigtigere forbehold for tanken om, at de er “killingsskala” udførelsesformer for EPR-stil entanglement. Atomerne er alle sammenblandet i rummet og er identiske og uadskillelige. Dette betyder, at selvom de er sammenfiltret, kan du ikke se det i form af en sammenhæng mellem ejendommen til et objekt her og et andet der. “Bose-Einstein-kondensater af ultrakolde atomer består af store ensembler af uadskillelige atomer, bogstaveligt talt lige i enhver fysisk observerbar,” sagde klemt. “Derfor kan den oprindelige definition af sammenfiltring ikke realiseres i dem.”Faktisk er hele begrebet sammenfiltring mellem uadskillelige partikler teoretisk bestridt. “Det skyldes, at begrebet sammenfiltring kræver muligheden for at definere de delsystemer, der er sammenfiltret med hinanden,” sagde Philipp Kunkel fra Heidelberg University i Tyskland.

en meget klarere form for sammenfiltring, direkte analog med sammenfiltringen af de rumligt adskilte partikler i EPR-tankeeksperimentet, er nu blevet demonstreret i tre separate eksperimenter af klemt ‘ s team i Hannover, Kunkels gruppe (ledet af Markus Oberthaler) i Heidelberg og et team ledet af Philipp Treutlein ved Universitetet i Basel. “Konflikten med klassisk fysik er særlig slående, når sammenfiltringen observeres mellem sådanne rumligt adskilte systemer,” sagde Treutlein. “Dette er den situation, EPR-papiret fra 1935 overvejer.”

alle tre grupper brugte skyer på hundreder til tusinder af rubidiumatomer indeholdt i elektromagnetiske fangstfelter (enten produceret af mikroskopiske enheder på en” atomchip ” eller genereret af krydsede laserstråler). Forskerne brugte infrarøde lasere til at begejstre kvanteovergange i atomernes spins og ledte efter sammenhængen mellem spinværdier, der er det fortællende tegn på sammenfiltring. Mens Heidelberg-og Basel-grupperne adresserede to forskellige regioner i en enkelt stor sky, splittede klemt ‘ s gruppe faktisk skyen ved at indsætte et område med tomt rum i midten.Basel-og Heidelberg-grupperne demonstrerede sammenfiltring via en effekt kaldet kvantestyring, hvor den tilsyneladende indbyrdes afhængighed af de to sammenfiltrede regioner udnyttes, så målinger foretaget på en af dem giver forskere mulighed for at forudsige målingerne af den anden. “Udtrykket’ styring ‘ blev introduceret af Schr Kristdinger,” forklarede Treutlein. “Det henviser til det faktum, at den kvantetilstand, vi bruger til at beskrive system B, afhængigt af måleresultatet i region a, ændres.”Men det betyder ikke, at der er nogen øjeblikkelig informationsoverførsel eller kommunikation mellem A og B. “man kan ikke styre tilstanden af det fjerne system deterministisk, da resultatet af målingen stadig er probabilistisk,” sagde Kunkel. “Der er ingen årsagssammenhæng.”

disse resultater er “meget spændende”, sagde Jens Eisert fra Free University of Berlin, som ikke var involveret i arbejdet. “Entanglement i atomdampe er blevet genereret længe før, “sagde han,” men hvad der er anderledes her er niveauerne af adresserbarhed og kontrol i disse systemer.”

bortset fra den klarere demonstration af sammenfiltring, når den eksisterer mellem rumligt adskilte regioner, er der også en praktisk fordel ved at gøre tingene på denne måde: du kan adressere de separate regioner individuelt til kvanteinformationsbehandling. “Det er ikke muligt selv i princippet at adressere individuelle atomer i BEC uden at påvirke alle andre atomer, hvis de alle er på samme sted,” sagde Treutlein. “Men hvis vi individuelt kan adressere de to rumligt adskilte regioner, bliver entanglement tilgængelig for kvanteinformationsopgaver som kvanteteleportation eller entanglement-bytte.”Det vil dog kræve, at den fysiske adskillelse af skyerne øges ud over, hvad der blev gjort i de nuværende eksperimenter, tilføjede han. Ideelt set sagde klemt, at du ville opdele skyen yderligere i individuelt adresserbare atomer.

“Store” kvanteobjekter som disse kan også gøre det muligt for os at undersøge ny fysik: for eksempel at finde ud af, hvad der sker, når tyngdekraften begynder at blive en betydelig indflydelse på kvanteadfærd. “Med denne nye måde at kontrollere og manipulere store sammenfiltrede stater på, kunne der være plads til sofistikerede tests af kvanteeffekter i gravitationsteorier,” sagde Eisert. Det er for eksempel blevet foreslået, at gravitationseffekter kan fremkalde et fysisk sammenbrud af kvantetilstande i klassiske, en ide, der i princippet er egnet til at eksperimentere med superpositioner eller indviklede tilstande af store masser. Treutlein sagde, at en måde at teste modeller for fysisk sammenbrud involverer interferens mellem forskellige atomiske “stofbølger”-og, tilføjede han, hans gruppes splittelse, sammenfiltret BEC kan fungere som et sådant atominterferometer. “De fleste fysikere vil sandsynligvis ikke forvente en pludselig nedbrydning af kvantefysik”, da systemstørrelsen stiger, sagde klemt. Men Kunkel tilføjede, at ” det er stadig et åbent spørgsmål eksperimentelt og teoretisk, hvis der er en grundlæggende grænse for størrelsen på de objekter, der kan vikles sammen.”

“det mest interessante spørgsmål er, om der er en grundlæggende størrelse, hvor man ikke på en eller anden måde kan gøre sammenfiltring,” sagde Sillanp Kristian. “Det ville betyde, at noget andet ud over normal kvantemekanik kommer ind i billedet, og det kan for eksempel være sammenbrud på grund af tyngdekraften.”Hvis tyngdekraften spiller en rolle, kan det give nogle tip til, hvordan man udvikler en teori om kvantegravitation, der forener de i øjeblikket uforenelige teorier om kvantemekanik og generel relativitet.

det ville være noget af et kup for Schr Kristdinger ‘ s killinger. For nu styrker de den generelle tro på, at der ikke er noget særligt ved kvanteopførsel, ud over det faktum, at det spinder sig ind i en stadig mere sammenfiltret kattes vugge, hvorfra vores klassiske net kommer frem. Og ingen kat behøver at blive dræbt i processen.