Schrödinger kiscicái soha nem voltak nagyon aranyosak, a legújabb alom sem kivétel. Az ultrakold atomok ködös felhőinek vagy mikroszkopikus szilíciumcsíkoknak a képei valószínűleg nem lesznek vírusosak az interneten. Ugyanakkor ezek az egzotikus tárgyak érdemes odafigyelni, mert példátlan egyértelműséggel mutatják, hogy a kvantummechanika nem csak a rendkívül kicsi fizika.

“Schrödinger kiscicái”, lazán szólva, olyan tárgyak, amelyek az atomi skála közepén helyezkednek el, amelyet eredetileg a kvantummechanika leírására fejlesztettek ki, és a macska, amelyet Erwin Schrödinger híresen hivatkozott, hogy kiemelje annak nyilvánvaló abszurditását, amit ez az elmélet jelent. Ezek a rendszerek “mezoszkópikusak” -talán a vírusok vagy baktériumok mérete körül, sok ezer vagy akár milliárd atomból állnak, és így sokkal nagyobbak, mint a tipikus skálák, amelyeken általában ellenintuitív kvantummechanikai tulajdonságok jelennek meg. Úgy tervezték, hogy megvizsgálják a kérdést: mekkora lehet, miközben megőrzi ezeket a kvantum tulajdonságokat?

a legfrissebb eredmények alapján a válasz: nagyon rohadt nagy. Két különböző típusú kísérletek-mindkettő által végzett több csoport egymástól függetlenül-kimutatták, hogy hatalmas számú atomok lehet helyezni a kollektív kvantumállapotok, ahol nem tudjuk biztosan mondani, hogy a rendszer egy sor tulajdonságok, vagy egy másik. Egy sor kísérletet, ez azt jelentette, hogy “entangling” két régió egy felhő hideg atomok, hogy a tulajdonságok, egymással összefüggő, valamint összefügg, hogy úgy tűnik, nem törődve a térbeli elkülönítés. A másikban mikroszkopikus vibráló tárgyakat manővereztek a vibrációs állapotok úgynevezett szuperpozícióiba. Mindkét eredmény lazán hasonlít arra, ahogyan Schrödinger hírhedt macskája, miközben elrejtve a dobozában, azt mondta, hogy az élő és halott Államok szuperpozíciójában van.

a kérdést, hogy A szabályok a kvantummechanika viszont, úgy tűnik, egészen más szabályokat a klasszikus mechanika — ahol az objektumok jól meghatározott tulajdonságokkal, pozíciók, illetve utak — már zavarba tudósok azóta, hogy a kvantum-elmélet először alakult ki a 20.század elején. Van-e alapvető különbség a nagy klasszikus tárgyak és a kis kvantumok között? Az úgynevezett kvantum-klasszikus átmenet ezen talányát Schrödinger gondolatkísérlete ikonikus módon emelte ki.

a szegény macska egy nagyon félreértett vadállat. Schrödinger pontja nem volt, amint azt gyakran feltételezték, a kvantummechanika látszólagos abszurditása, ha a mindennapi skálára extrapolálják. A macska Schrödinger és Albert Einstein levelezésének terméke volt, miután Einstein kritizálta Niels Bohr dán fizikus és kollégái által támogatott kvantummechanika értelmezését.

Bohr azzal érvelt, hogy a kvantummechanika úgy tűnik arra kényszerít bennünket, hogy arra a következtetésre jussunk, hogy a kvantum tárgyak, például az elektronok tulajdonságai nem rendelkeznek jól meghatározott értékekkel, amíg meg nem mérjük őket. Einstein számára őrültnek tűnt, hogy a valóság bizonyos eleme a tudatos beavatkozástól függ, hogy létrejöjjön. Két fiatalabb kollégájával, Boris Podolskyval és Nathan Rosennel 1935-ben bemutatott egy gondolatkísérletet, amely úgy tűnt, hogy lehetetlenné teszi ezt az értelmezést. Hárman (akiknek munkája most az EPR kollektív címkén megy keresztül) megjegyezték, hogy részecskék hozhatók létre olyan államokban, amelyeknek korrelálniuk kell egymással, abban az értelemben, hogy ha egyikük bizonyos tulajdonsággal rendelkezik, a másiknak más különleges értékkel kell rendelkeznie. Két elektron esetében, amelyek spin nevű tulajdonsággal rendelkeznek, az egyik spin “felfelé” mutathat, míg a másik elektron spinpontjai “lefelé.”

ebben az esetben Einstein és kollégái szerint, ha Bohr igaza van, és a pörgetések tényleges irányai meghatározatlanok, amíg meg nem mérjük őket, akkor a két pörgetés korrelációja azt jelenti, hogy az egyik mérése azonnal rögzíti a másik irányát — függetlenül attól, hogy milyen messze van a részecske. Einstein ezt a látszólagos kapcsolatot ” kísérteties akciónak nevezte távolról.”De egy ilyen jelenségnek lehetetlennek kell lennie, mert Einstein speciális relativitáselmélete azt mutatja, hogy egyetlen hatás sem terjedhet gyorsabban, mint a fény.

Schrödinger ezt a korrelációt a részecskék között “összefonódásnak” nevezte.”Az 1970-es évek óta végzett kísérletek azt mutatták, hogy ez egy igazi kvantum jelenség. De ez nem jelenti azt, hogy a kvantumrészecskék valahogy azonnal befolyásolhatják egymást az űrben Einstein kísérteties akcióján keresztül. Jobb azt mondani, hogy egy részecske kvantum tulajdonságait nem feltétlenül határozzák meg egy rögzített helyen az űrben, de lehet “nem helyi”: teljesen meghatározott csak kapcsolatban egy másik részecske máshol, oly módon, hogy úgy tűnik, hogy aláássa a intuitív fogalma tér és távolság.

Schrödinger macskája az EPR-összefonódás sajátosságairól szól. Schrödinger meg akarta mutatni, hogy Bohr azon elképzelése, hogy semmi nincs rögzítve, amíg meg nem mérik, logikus abszurditáshoz vezethet, ha elképzeljük, hogy a mindennapi méretig felrobbantjuk az összefonódást. Gondolatkísérlete a szerencsétlen macskát egy zárt dobozba helyezi egy halálos méreg injekciós üvegével, amelyet valamilyen mechanizmus nyithat meg, amely összekapcsolja — valójában — egy kvantumrészecskével vagy eseménnyel. A trigger egy elektronból származhat, megtörve az injekciós üveget, ha felfelé forog, de nem, ha lefelé forog. Ezután elkészítheti az elektronot az állapotok úgynevezett szuperpozíciójában, amelyben mind a felfelé, mind a lefelé irányuló spin lehetséges mérési eredmények. De ha a spin meghatározatlan a mérés előtt, akkor annak a macska állapotának kell lennie — nem lehet értelmesen megmondani, hogy életben van-e vagy halott. És ez teljesen értelmetlen.

Schrödinger álláspontja nem egyszerűen az volt, hogy a kvantumszabályok látszólagos ostobasághoz vezetnek, ha a mindennapi skálán alkalmazzák — ehhez nincs szüksége macskára. Inkább szélsőséges demonstrációt akart találni arról, hogy egy határozott állapot (élő vagy halott) bármilyen hozzárendelésének elhalasztása a mérés elvégzéséig (a doboz kinyitásával) olyan következményekhez vezethet, amelyek nemcsak furcsanak, hanem logikusan tiltottak is.

Bohr számára ez érvénytelen forgatókönyvnek tűnt volna — a mérés, például a doboz kinyitása és a macska megnézése mindig makroszkopikus volt, ezért egy klasszikus folyamat, tehát a kvantumszabályok már nem alkalmazandók. De akkor hogyan biztosítja a mérés azt a varázslatos átalakulást a kvantumról a klasszikusra?

ahelyett, hogy vitatkozna róla, miért nem csak a kísérletet? A baj az, hogy míg az egész nagyon jól Schrödinger elképzelni, hogy egy macska “kvantum” a tengelykapcsoló, hogy néhány atomi léptékű esemény, ez nem teljesen világos, hogy hogyan, vagy akár e — tehetünk, hogy a méretezés fel a gyakorlatban, vagy valóban, mi az a szuperpozíció, élve vagy holtan lehet szempontjából kvantum államokban.

de a modern technikákkal el tudjuk képzelni, hogy viszonylag nagy tárgyak-nem olyan nagyok, mint a macskák, de sokkal nagyobbak, mint a magányos atomok — jól definiált kvantum — szuperpozícióit hozunk létre, és megvizsgáljuk tulajdonságaikat. Erről szól a Schrödinger kiscicáinak létrehozására irányuló erőfeszítések.

“sok fizikus nem igazán vár meglepetéseket nagy léptékben” – mondta Simon Gröblacher, a Holland Delft Technológiai Egyetem. “De egyszerűen nem ismert, hogy mi fog történni, ha körülbelül 1023 atommal kvantumállapotokat hoz létre”, ami a mindennapi tárgyak tipikus skálája.

az új kísérletek azt mutatják, hogy annak ellenére, amit Schrödinger gondolt, a viszonylag nagy tárgyak valóban ellenintuitív kvantum viselkedést mutathatnak.

Gröblacher és kollégái 10 mikrométer hosszú és 1 x 0,25 mikrométer átmérőjű szilíciumkrémeket készítettek keresztmetszetben. Mindegyikben lyukak voltak a gerendák mentén, amelyek elnyelik és csapdába ejtik az infravörös lézerfényt. A kutatók ezután izgatták azokat a fénysugarakat, amelyek az utak szuperpozíciójában vannak elküldve, mindegyik gerendához. Ezzel képesek voltak két gerendát egyetlen kvantum vibrációs állapotba hozni. Úgy gondolhat rá, mint két kusza macska nagyon kicsi megfelelőjére.

a mechanikus oszcillátorok közötti másfajta összefonódásról számoltak be a Gröblacher csapatával a természetben, a finnországi Aalto Egyetem Mika Sillanpää kollégáival. Két mikroszkopikus drumhead-szerű fémlemezt kapcsoltak össze egy szupravezető huzalon keresztül. A huzal tartalmazhat mikrohullámú frekvenciákon oszcilláló elektromos áramot (körülbelül 5 milliárd rezgés másodpercenként); elektromágneses mezője nyomást gyakorol a vibráló lemezekre. “Az elektromágneses mezők egyfajta közegként működnek, amely a két dobfejet a kusza kvantumállapotba kényszeríti” – mondta Sillanpää.

A kutatók régóta törekedtek olyan kvantumhatások elérésére, mint például a szuperpozíció és az ilyen “nagy” mikromechanikus oszcillátorok összefonódása, amelyekben több milliárd atom van. “A mechanikus oszcillátorok kusza állapotát elméletileg az 1970-es évek vége óta vitatták meg, de csak az elmúlt években technikailag lehetséges ilyen állapotok létrehozása” – mondta Sillanpää.

mi teszi ezeket a kísérleteket olyan erővé, hogy elkerülik azt a folyamatot, amely általában a kvantumszabályok által szabályozott nagy tárgyakat átalakítja a klasszikus fizika engedelmességévé. Úgy tűnik, hogy ez a folyamat biztosítja a mérési puzzle hiányzó részét (legalábbis annak nagy részét), amelyet Bohr annyira őrülten homályosnak hagyott.

dekoherenciának nevezik-és meglehetősen szépen, az összefonódásról szól. A kvantummechanika szerint a összefonódás elkerülhetetlen eredménye a két kvantumobjektum közötti kölcsönhatásnak. Tehát ha egy tárgy-mondjuk egy macska – az államok szuperpozíciójában indul el, akkor ez a szuperpozíció — ez a kvantumosság, mondhatni — terjed, amikor az objektum kölcsönhatásba lép a környezetével, és egyre inkább belegabalyodik vele. De ha azt szeretnénk, hogy valóban megfigyelni a szuperpozíció, akkor kell levezetni a kvantum viselkedését az összes kusza részecskék. Ez gyorsan lehetetlenné válik, ugyanúgy, ahogy lehetetlenné válik, hogy nyomon kövesse az összes atomot egy folt a tinta, ahogy eloszlik a medencében. A környezettel való kölcsönhatás miatt az eredeti részecske kvantum jellege elszivárog és szétszóródik. Ez dekoherencia.

A Kvantumelmoretikusok kimutatták, hogy a dekoherencia a klasszikus fizikában látott viselkedés kialakulásához vezet. A kísérletezők pedig olyan kísérletekben bizonyították, amelyek képesek szabályozni a dekoherencia sebességét, ahol a jellegzetes kvantumhatások, például a részecskék hullámszerű interferenciája fokozatosan eltűnnek, ahogy a dekoherencia folytatódik.

A dekoherencia tehát központi szerepet játszik a kvantum-klasszikus átmenet jelenlegi megértésében. Az objektum azon képessége, hogy kvantum viselkedést mutasson, mint például az interferencia, a szuperpozíció és az összefonódás által kiváltott összefüggések, semmi köze ahhoz, hogy milyen nagy. Ehelyett attól függ, hogy mennyire összefonódott a környezetével.

mindazonáltal a méret általában szerepet játszik, mivel minél nagyobb egy objektum, annál könnyebben belegabalyodhat környezetébe és dekohere-be. Egy nagy, meleg, nyugtalan tárgy, mint egy macska, nem reménykedik abban, hogy bármilyen kvantummechanikai szuperpozícióban marad, és többé-kevésbé azonnal megsemmisül.

Ha egyszerűen betesz egy macskát egy dobozba, és összekapcsolja a sorsát egy kvantum esemény eredményével, akkor nem valószínű, hogy az élő és halott szuperpozícióba helyezi, mert a dekoherencia szinte azonnal kényszeríti az egyik vagy a másik állapotba. Ha elnyomhatja a dekoherenciát azáltal, hogy eltávolítja az összes interakciót a környezettel (anélkül, hogy megölné a macskát ultracold vákuumban!)- nos, akkor ez egy másik történet, és az érvek továbbra is fennállnak. Szinte lehetetlen elképzelni, hogyan lehet ezt elérni egy macska számára. De lényegében ez az, amit a gröblacher és Sillanpää csapatai az apró oszcillátoraikkal értek el.

ahelyett, hogy felülről lefelé haladnánk a kvantum-klasszikus határ felé, látva, hogy meg tudjuk-e idézni a kvantumosságot egy rezgő tárgyba, amikor elég kicsi, alulról felfelé jöhetünk rá. Mivel tudjuk, hogy a kvantum hatások, mint a szuperpozíció illetve ahol azok interferenciát vagy könnyen látható az egyes atomok pedig még a kis molekulák, lehet, hogy csoda, hogy messze azokat a hatásokat lehet tartós, mint tartjuk hozzá több atomok. Három csapat most feltárta ezt a kérdést, elérve a kvantumállapotokat az ultrakold atomok tízezreinek felhőire azáltal, hogy egy Bose-Einstein kondenzátum (BEC) nevű állapotba keverik őket.

Einstein és az indiai fizikus, Satyendra Nath Bose rámutattak, hogy ilyen állapot létezhet a Bose-ok között, amely az alapvető részecskék két általános osztályának egyike. Egy BEC-ben az összes részecske ugyanabban az egyetlen kvantumállapotban van, ami valójában azt jelenti, hogy inkább úgy viselkednek, mint egy nagy kvantumobjektum. Mert ez egy kvantum hatás, Bose-Einstein kondenzáció történik, csak nagyon alacsony hőmérsékleten, valamint egy BEC volt, csak azt láttam, hogy a lehető legtisztább formában — egy felhő bosonic részecskék — 1995-ben, az atomok a rubídium hűteni, hogy csak néhány milliárd fokos abszolút nulla.

Az ilyen ultracold atomokból készült BECs új médiumot adott a fizikusoknak a kvantumjelenségek vizsgálatára. A múltban a kutatók kimutatták, hogy egy ilyen felhő — talán több ezer Atom-olyan állapotba helyezhető, amelyben az összes atom kvantum-összefonódott.

Ezek nem szigorúan Schrödinger kiscicái, mondta Carsten Klempt a németországi Hannoveri Leibniz Egyetemen. Ezeket általában olyan államok szuperpozícióinak definiálják, amelyek annyira különböznek egymástól, amennyire csak lehet: például mind felfelé irányuló spin, mind lefelé irányuló spin (hasonlóan az “élő” és a “halott” – hoz). Nem ez a helyzet ezekben az összefonódott atomfelhőkben. Ennek ellenére még mindig viszonylag hatalmas léptékben mutatják a kvantum viselkedését.

van egy fontosabb kikötés, bár, az ötlet, hogy ők “cica-skála” megtestesítői EPR-stílusú összefonódás. Az atomok összezsugorodnak az űrben, azonosak és megkülönböztethetetlenek. Ez azt jelenti, hogy még akkor is, ha összefonódnak, nem láthatja azt az egyik objektum tulajdonsága közötti korreláció szempontjából, a másik pedig ott. “Az ultrakold atomok Bose-Einstein kondenzátumai megkülönböztethetetlen atomok nagy együtteseiből állnak, szó szerint egyenlőek minden fizikai megfigyelhetőségben” – mondta Klempt. “Ezért az összefonódás eredeti meghatározása nem valósítható meg bennük.”Valójában a megkülönböztethetetlen részecskék közötti összefonódás teljes koncepcióját elméletileg vitatták. “Ez azért van, mert az összefonódás fogalma megköveteli annak lehetőségét, hogy meghatározzák az egymással összefonódó alrendszereket” – mondta Philipp Kunkel, a németországi Heidelberg Egyetem.

egy sokkal tisztább összefonódás, amely közvetlenül hasonlít a térben elválasztott részecskék összefonódásához az EPR gondolatkísérletében, Klempt csapata Hannoverben, Kunkel csoportja (Markus Oberthaler vezetésével) Heidelbergben, valamint egy Philipp Treutlein vezette csapat a svájci bázeli egyetemen. “A klasszikus fizikával való konfliktus különösen szembetűnő, amikor az ilyen térben elválasztott rendszerek között összefonódás figyelhető meg” – mondta Treutlein. “Ez a helyzet az 1935-ös EPR papír szerint.”

mindhárom csoport több száz-ezer rubídiumatomot használt az elektromágneses csapdázási mezőkben (vagy mikroszkopikus eszközök által előállított “atom chipen”, vagy keresztezett lézersugarak által generált). A kutatók infravörös lézerekkel gerjesztették a kvantumátmeneteket az atomok pörgetéseiben, és keresték a spinértékek közötti összefüggéseket, amelyek a összefonódás árulkodó jelei. Míg a Heidelbergi és a Bázeli csoportok két különböző régiót érintettek egyetlen nagy felhőben, a Klempt csoportja valójában úgy osztotta meg a felhőt, hogy egy üres tér régiót helyezett a középpontba.

a bázeli és Heidelbergi csoportok a kvantumkormánynak nevezett hatás révén összefonódást mutattak, amelyben a két összefonódott régió látszólagos kölcsönös függőségét kihasználják, hogy az egyiken végzett mérések lehetővé tegyék a kutatók számára a másik méréseinek előrejelzését. “A” kormányzás “kifejezést Schrödinger vezette be” – magyarázta Treutlein. “Arra a tényre utal, hogy az a régió mérési eredményétől függően a kvantumállapot, amelyet a B rendszer változásainak leírására használunk.”De ez nem jelenti azt, hogy az A és B között pillanatnyi információátadás vagy kommunikáció lenne. “nem lehet determinisztikusan irányítani a távoli rendszer állapotát, mivel a mérés eredménye még mindig valószínű” – mondta Kunkel. “Nincs ok-okozati hatás.”

Ezek az eredmények “nagyon izgalmasak” – mondta Jens Eisert, a berlini Szabad Egyetem, aki nem vett részt a munkában. “Az atomgőzök összefonódása már jóval korábban keletkezett-mondta -, de ami itt más, az ezekben a rendszerekben a címezhetőség és az ellenőrzés szintje.”

Eltekintve a tisztább bemutató felakadás, ha létezik közötti térben elválasztott régiók, ott is egy gyakorlati előnye, hogy a dolgok így: a cím az önálló régiók külön-külön a kvantum információ feldolgozás. “Még elvileg sem lehetséges az egyes atomok kezelése a BEC-ben anélkül, hogy az összes többi atomot befolyásolná, ha mind ugyanazon a helyen vannak” – mondta Treutlein. “Ha azonban külön-külön foglalkozhatunk a két térben elválasztott régióval, akkor az összefonódás elérhetővé válik olyan kvantuminformációs feladatokhoz, mint a kvantum teleportáció vagy az összefonódás cseréje.”Ehhez azonban a felhők fizikai elválasztását meg kell növelni a jelenlegi kísérletekben tetteken túl” – tette hozzá. Ideális esetben, Klempt mondta, akkor osztja a felhő tovább egyénileg címezhető atomok.

az ilyen”nagy” kvantumobjektumok lehetővé tehetik az új fizika szondázását is: például, hogy megtudja, mi történik, amikor a gravitáció jelentősen befolyásolja a kvantum viselkedését. “Ezzel az új módszerrel a nagy összefonódott Államok irányításának és manipulálásának lehetősége van a kvantumhatások kifinomult tesztelésére a gravitációs elméletekben” – mondta Eisert. Javasolták például, hogy a gravitációs hatások a kvantumállapotok fizikai összeomlását klasszikusokká válthatják, ami elvileg alkalmas a szuperpozíciók vagy a nagy tömegek kusza állapotainak kísérletezésére. Treutlein azt mondta, hogy a fizikai-összeomlási modellek tesztelésének egyik módja a különböző atomi “anyaghullámok” közötti interferencia-és-tette hozzá-csoportja osztott, összefonódott BEC ilyen atom interferométerként működhet. “A legtöbb fizikus valószínűleg nem számít a kvantumfizika hirtelen lebomlására”, mivel a rendszer mérete növekszik-mondta Klempt. De Kunkel hozzátette, hogy ” még mindig nyitott kérdés, kísérletileg és elméletileg, ha van egy alapvető határ a tárgyak méretére, amelyek összefonódhatnak egymással.”

“a legérdekesebb kérdés az, hogy van-e olyan alapvető méret, ahol bizonyos értelemben nem lehet összefonódni” – mondta Sillanpää. “Ez azt jelentené, hogy a normál kvantummechanika mellett valami más is belép a képbe, ami például a gravitáció miatt összeomolhat.”Ha a gravitáció szerepet játszik, akkor ez néhány tippet adhat a kvantumgravitáció elméletének kidolgozásához, amely egyesíti a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet jelenleg összeegyeztethetetlen elméleteit.

Ez elég puccs lenne Schrödinger kiscicái számára. Egyelőre megerősítik azt az Általános meggyőződést, hogy nincs semmi különös a kvantum viselkedésben, azon túl, hogy egy egyre kusza macska bölcsőjébe forog, ahonnan a klasszikus webünk megjelenik. És egyetlen macskát sem kell megölni a folyamat során.