Schrö kattunger har aldri vært veldig søte, og det siste kullet er ikke noe unntak. Bilder av nebulous skyer av ultracold atomer eller mikroskopiske striper av silisium er usannsynlig å gå viral på internett. Likevel er disse eksotiske gjenstandene verdt å lytte, fordi de viser med enestående klarhet at kvantemekanikk ikke bare er fysikken til de ekstremt små.
«Schr ③dinger’ s kittens » er løst sett objekter plassert midtveis i størrelse mellom atomskalaen, som kvantemekanikken opprinnelig ble utviklet for å beskrive, og katten Som Erwin Schrö berømt påkalt for å markere den tilsynelatende absurditeten til hva den teorien syntes å innebære. Disse systemene er » mesoskopiske — – kanskje rundt størrelsen på virus eller bakterier, sammensatt av mange tusen eller til og med milliarder atomer, og dermed mye større enn de typiske skalaene der counterintuitive kvantemekaniske egenskaper vanligvis vises. De er designet for å undersøke spørsmålet: Hvor stor kan du få mens du fortsatt beholder disse kvanteegenskapene?
for å dømme etter de siste resultatene, er svaret: ganske darn stor. To forskjellige typer eksperimenter-begge utført av flere grupper uavhengig-har vist at store antall atomer kan plasseres i kollektive kvantetilstander, hvor vi ikke definitivt kan si at systemet har ett sett med egenskaper eller en annen. I ett sett med eksperimenter betydde dette» sammenfiltring » to regioner av en sky av kalde atomer for å gjøre deres egenskaper gjensidig avhengige og korrelerte på en måte som virker likegyldig for deres romlige separasjon. I den andre ble mikroskopiske vibrerende gjenstander manøvrert inn i såkalte superposisjoner av vibrasjonstilstander. Begge resultatene er løst analoge Med Måten Schrö beryktede katt, mens gjemt bort i sin boks, ble sagt å være i en superposisjon av levende og døde stater.
spørsmålet om hvordan reglene for kvantemekanikk blir til tilsynelatende ganske forskjellige regler for klassisk mekanikk – hvor objekter har veldefinerte egenskaper — posisjoner og baner — har forvirret forskere helt siden kvanteteorien først ble utviklet tidlig i det 20.århundre. Er det noen grunnleggende forskjell mellom store klassiske objekter og små kvante? Denne gåten av den såkalte quantum-klassiske overgangen ble fremhevet på ikonisk måte Av Schrö tankeeksperiment.
den fattige katten er et mye misforstått dyr. Schrö punkt var ikke, som ofte underforstått, kvantemekanikkens tilsynelatende absurditet hvis ekstrapolert opp til hverdagens skala. Katten var et produkt av korrespondanse Mellom Schrö og Albert Einstein, Etter At Einstein hadde kritisert tolkningen av kvantemekanikk som ble fremmet av den danske fysikeren Niels Bohr og hans kolleger.Bohr hevdet at kvantemekanikk synes å tvinge oss til å konkludere med at egenskapene til kvanteobjekter som elektroner ikke har veldefinerte verdier før vi måler dem. Til Einstein virket det gal at noe element av virkeligheten avhenger av vår bevisste intervensjon for å få det til å bli. Med To yngre kolleger, Boris Podolsky Og Nathan Rosen, presenterte han et tankeeksperiment i 1935 som syntes å gjøre denne tolkningen umulig. De tre av dem (hvis arbeid nå går UNDER den kollektive etiketten EPR) bemerket at partikler kan opprettes i stater som må korreleres med hverandre, i den forstand at hvis en av dem har en bestemt verdi for noen eiendom, må den andre ha en annen spesiell verdi. I tilfelle av to elektroner, som har en egenskap som kalles spinn, kan ett spinn peke «opp»mens den andre elektronens spinn peker» ned.»I så fall, Ifølge Einstein og hans kolleger, hvis Bohr har rett og de faktiske retningene til spinnene er ubestemt til du måler dem, betyr korrelasjonen mellom de to spinnene at måling av en av dem umiddelbart løser orienteringen til den andre — uansett hvor langt unna partikkelen er. Einstein kalte denne tilsynelatende forbindelsen «spooky action på avstand.»Men et slikt fenomen bør være umulig, Fordi Einsteins teori om spesiell relativitet viser at ingen innflytelse kan forplante seg raskere enn lys.
Schrö kalte denne korrelasjonen mellom partiklene » entanglement.»Eksperimenter siden 1970-tallet har vist at det er et ekte kvantfenomen. Men dette betyr ikke at kvantepartikler på en eller annen måte kan påvirke hverandre umiddelbart over rommet Gjennom Einsteins spooky handling. Det er bedre å si at en enkelt partikkels kvanteegenskaper ikke nødvendigvis er bestemt på et fast sted i rommet, men kan være «nonlocal»: fullt spesifisert bare i forhold til en annen partikkel andre steder, på en måte som synes å undergrave vår intuitive oppfatning av rom og avstand.
Schrö katt oppsto ut av hans musings på særegenheter AV EPR forviklinger. Schrö ønsket å vise Hvordan Bohrs forestilling om at ingenting er løst før det måles, kunne føre til logisk absurditet hvis vi forestilte oss å blåse sammenblanding opp til hverdags størrelse. Hans tankeeksperiment plasserer den uheldige katten i en lukket boks med et hetteglass med dødelig gift, som kan brytes opp av en mekanisme som knytter den til — faktisk entangles den med-en kvantepartikkel eller hendelse. Utløseren kan komme fra et elektron, bryte hetteglasset hvis det har oppadgående spinn, men ikke hvis det har nedadgående spinn. Du kan deretter forberede elektronen i en såkalt superposisjon av stater, hvor både oppadgående spinn og nedadgående spinn er mulige utfall av en måling. Men hvis spinnet er ubestemt før målingen, må det også være kattens status — det er ingen måte du kan si om det er levende eller dødt. Og det er sikkert meningsløst.
Schrö poeng var Ikke bare at kvantereglene fører til tilsynelatende tull når de brukes i daglig skala-du trenger ikke en katt for det. Snarere ønsket han å finne en ekstrem demonstrasjon av hvordan utsettelse av enhver tildeling av en bestemt stat (levende eller død) til måling er gjort (ved å åpne boksen for å se) kan føre til implikasjoner som ikke bare virker merkelig, men logisk forbudt.
For Bohr ville Dette ha virket som et ugyldig scenario-måling, for eksempel å åpne boksen og se på katten, var for ham alltid en makroskopisk og derfor en klassisk prosess, så kvanteregler ville ikke lenger gjelde. Men hvordan sikrer måling den magiske transformasjonen fra kvantum til klassisk?
I Stedet for å krangle om det, hvorfor ikke bare gjøre eksperimentet? Problemet er, mens Det var veldig bra For Schrö å forestille Seg å lage en katt» quantum » ved å koble den til en atomskala-hendelse, er det ikke klart hvordan — eller faktisk om — vi kan gjøre det oppskalering i praksis, eller hva en superposisjon av levende og døde kan bety når det gjelder kvantetilstander.Men med moderne teknikker kan vi forestille oss å skape veldefinerte kvanteposisjoner av relativt store objekter-ikke så store som katter, men mye større enn ensomme atomer — og undersøke deres egenskaper. Dette er hva innsatsen for Å skape schrö kattunger handler om.
«mange fysikere forventer egentlig ikke noen overraskelser i stor skala,» Sa Simon Gr@blacher Fra Delft University Of Technology I Nederland. «Men det er rett og slett ikke kjent hva som vil skje hvis du begynner å lage kvantetilstander med rundt 1023 atomer,» som er den typiske skalaen til hverdagsobjekter.
de nye forsøkene viser at Til tross For Hva Schrö trodde, kan relativt store gjenstander faktisk utvise counterintuitive kvanteadferd.
Grö Og hans kolleger opprettet mikrobjelker av silisium, hver 10 mikrometer lang og 1 av 0,25 mikrometer i tverrsnitt. Hver av dem inneholdt hull langs bjelkene som ville absorbere og fange infrarødt laserlys. Forskerne spente deretter disse bjelkene med lys sendt i en superposisjon av stier, en til hver stråle. Ved å gjøre det kunne de forstyrre to bjelker i en enkelt kvantevibrasjonstilstand. Du kan tenke på det som den svært små ekvivalenten av to inntrappede katter.
En annen form for sammenfiltring mellom mekaniske oscillatorer ble rapportert, i back-to-back papirer Med Grö ‘ s team in Nature, Av Mika Sillanpää fra aalto Universitet i finland og kolleger. De koblet to mikroskopiske drumhead-lignende metallplater via en superledende ledning. Ledningen kan inneholde en elektrisk strøm som oscillerer ved mikrobølgefrekvenser (ca. 5 milliarder vibrasjoner per sekund); dets elektromagnetiske felt utøver et trykk på de vibrerende platene. «De elektromagnetiske feltene fungerer som et slags medium som tvinger de to trommehodene inn i den innviklede kvantestaten,» Sa Sillanpää.Forskere har lenge søkt å oppnå kvanteffekter som superposisjon og sammenfiltring i «store» mikromekaniske oscillatorer som disse, som har milliarder atomer i dem. «Viklede tilstander av mekaniske oscillatorer har blitt diskutert teoretisk siden slutten av 1970 – tallet, men bare de siste årene har det vært teknisk mulig å opprette slike stater,» Sa Sillanpää.
Hva gjør disse eksperimentene slik en tour de force er at de unngår prosessen som generelt forvandler store objekter fra de styrt av quantum regler til de som adlyder klassisk fysikk. Denne prosessen ser ut til å gi den manglende delen (i det minste det meste) av puslespillet, som Bohr forlot så vanvittig vag.
Det kalles dekoherens — og ganske pent handler det om forviklinger. Ifølge kvantemekanikk er entanglement et uunngåelig resultat av samspill mellom to kvanteobjekter. Så hvis et objekt — en katt, sier — starter i en superposisjon av stater, sprer den superposisjonen — den kvantumheten, du kan si — som objektet samhandler med sitt miljø og blir stadig mer innblandet i det. Men hvis du faktisk vil observere superposisjonen, må du utlede kvanteadferdigheten til alle de sammenklemte partiklene. Dette blir raskt umulig, på samme måte som det blir umulig å spore alle atomene i en blob av blekk som det sprer seg i et svømmebasseng. På grunn av samspill med miljøet lekker kvantenaturen til den opprinnelige partikkelen bort og dispergeres. Det er dekoherens.Kvanteteoretikere har vist at dekoherens gir opphav til den typen oppførsel som ses i klassisk fysikk. Og experimentalists har bevist det i eksperimenter som kan kontrollere frekvensen av decoherence, hvor de karakteristiske quantum effekter som wavelike interferens av partikler gradvis forsvinne som decoherence fortsetter.Dekoherens er da sentral for den nåværende forståelsen av den kvanteklassiske overgangen. Evnen til et objekt til å vise kvanteadferd, som forstyrrelser, superposisjon og entanglement-induserte korrelasjoner, har ingenting å gjøre med hvor stor den er. I stedet avhenger det av hvor innblandet det er med sitt miljø.
likevel spiller størrelse generelt en rolle, fordi jo større et objekt er, desto lettere kan det bli viklet inn i miljøet og dekohere. En stor, varm, rastløs gjenstand som en katt har ikke noe håp om å forbli i en kvantemekanisk superposisjon av noe slag og vil decohere mer eller mindre umiddelbart.Hvis du bare holder en katt i en boks og knytter sin skjebne til utfallet av en kvantehendelse, er det ikke sannsynlig at du legger den i en superposisjon av levende og døde, fordi dekoherens nesten umiddelbart vil tvinge den til en tilstand eller den andre. Hvis du kunne undertrykke dekoherens ved å fjerne all interaksjon med miljøet (uten å drepe katten i et ultracold vakuum!)- vel, så er det en annen historie og argumentene vedvarer. Det er nesten umulig å forestille seg hvordan man skal oppnå det for en katt. Men det er i hovedsak hva lagene I Gröblacher og Sillanpää har oppnådd med sine små oscillatorer.
I Stedet for å jobbe mot den kvanteklassiske grensen fra toppen ned, se om vi kan fremheve kvantumhet til et vibrerende objekt når det er lite nok, kan vi komme på det fra bunnen opp. Siden vi vet at kvanteffekter som superposisjon og interferens lett ses i individuelle atomer og til og med små molekyler, kan vi lure på hvor langt disse effektene kan opprettholdes når vi fortsetter å legge til flere atomer. Tre lag har nå utforsket dette spørsmålet, og oppnår kvantetilstander for skyer på opptil titusenvis av ultracoldatomer ved å knytte dem sammen i En tilstand som kalles Bose-Einstein-kondensat (BEC).Einstein og Den Indiske fysikeren Satyendra Nath Bose påpekte at en slik tilstand kan eksistere blant bosoner (oppkalt Etter Bose), en av de to generelle klassene av grunnleggende partikler. I EN BEC er alle partiklene i samme enkelt kvantetilstand, noe som betyr at de virker som en stor kvanteobjekt. Fordi Det er en kvanteeffekt, Skjer bose-Einstein-kondensasjon bare ved svært lave temperaturer, og EN BEC ble bare sett i sin reneste form — en sky av bosoniske partikler-i 1995, i atomer av rubidium avkjølt til bare noen få milliarddeler av en grad over absolutt null.BECs laget av slike ultracold atomer har gitt fysikere et nytt medium for å undersøke kvantefenomener. Tidligere har forskere vist at en slik sky-kanskje flere tusen atomer – kan plasseres i en tilstand der alle atomene er kvante-viklet sammen.
dette er ikke strengt Schrö kattunger, sa Carsten Klempt Fra Leibniz University Hannover I Tyskland. De er generelt definert som superposisjoner av stater som er så forskjellige som kan være: for eksempel alle med oppadgående spinn og alle med nedadgående spinn (analog med «levende» og «død»). Det er ikke tilfelle i disse innviklede atomskyene. Likevel viser de fortsatt kvanteadferd i relativt stor skala.
Det er imidlertid et viktigere forbehold for ideen om at de er» kattunge-skala » utførelser AV EPR – stil entanglement. Atomene er alle mikset sammen i rommet og er identiske og uutslettelige. Dette betyr at selv om de er innfestet, kan du ikke se det i form av en sammenheng mellom egenskapen til ett objekt her og en annen der. «Bose-Einstein kondensater av ultracold atomer består av store ensembler av uutslettelige atomer, bokstavelig talt like i enhver fysisk observerbar,» Sa Klempt. «Derfor kan den opprinnelige definisjonen av forviklinger ikke realiseres i dem.»Faktisk har hele konseptet om sammenblanding mellom uutslettelige partikler blitt teoretisk omstridt. «Det er fordi begrepet entanglement krever muligheten til å definere delsystemene som er innblandet i hverandre,» sa Philipp Kunkel Fra Heidelberg University i Tyskland.en mye klarere form for forviklinger, direkte analog med forviklingen av de romlig separerte partiklene I EPR-tankeeksperimentet, har nå blitt demonstrert i tre separate eksperimenter Av Klempts team I Hannover, Kunkels gruppe (ledet Av Markus Oberthaler) I Heidelberg, og et team ledet av Philipp Treutlein ved Universitetet I Basel I Sveits. «Konflikten med klassisk fysikk er spesielt slående når forstyrrelsen observeres mellom slike romlig adskilte systemer,» Sa Treutlein. «Dette er situasjonen 1935 EPR-papiret vurderer.Alle tre gruppene brukte skyer av hundrevis til tusenvis av rubidiumatomer holdt i elektromagnetiske fangstfelt (enten produsert av mikroskopiske enheter på en «atomchip» eller generert av kryssede laserstråler). Forskerne brukte infrarøde lasere til å opphisse kvanteoverganger i atomenes spinn og så etter korrelasjonene mellom spinnverdier som er telltale tegn på entanglement. Mens Heidelberg-og Basel-gruppene adresserte to forskjellige regioner i en enkelt stor sky, delte Klempts gruppe faktisk skyen ved å sette inn et område med tomt rom i midten.Basel-og Heidelberg-gruppene demonstrerte entanglement via en effekt som kalles kvantestyring, hvor den tilsynelatende gjensidige avhengigheten av de to sammenklemmede områdene utnyttes slik at målinger gjort på en av dem tillater forskere å forutsi målingene av den andre. «Begrepet» styring «ble introdusert Av Schrö,» Forklarte Treutlein. «Det refererer til det faktum at, avhengig av måleresultatet I region A, kvantetilstanden vi bruker til å beskrive system B, endres.»Men dette betyr ikke at Det er noen øyeblikkelig informasjonsoverføring Eller kommunikasjon Mellom A og B.» Man kan ikke styre tilstanden til det fjerne systemet deterministisk, siden utfallet av målingen fortsatt er probabilistisk, » Sa Kunkel. «Det er ingen forårsakende innflytelse.»
disse resultatene er «veldig spennende», sa Jens Eisert Fra Free University Of Berlin, som ikke var involvert i arbeidet. «Entanglement i atomdampene har blitt generert lenge før, «sa han,» men det som er annerledes her er nivåene av adresserbarhet og kontroll i disse systemene.»Bortsett fra den klarere demonstrasjonen av inngrep når den eksisterer mellom romlig adskilte regioner, er Det også en praktisk fordel å gjøre ting på denne måten: Du kan adressere de separate regionene individuelt for kvantinformasjonsbehandling. «Det er ikke mulig selv i prinsippet å adressere individuelle atomer i BEC uten å påvirke alle andre atomer, hvis De er alle på samme sted,» Sa Treutlein. «Men hvis vi individuelt kan adressere de to romlig adskilte områdene, blir forstyrrelsen tilgjengelig for kvantinformasjonsoppgaver som kvanteteleportasjon eller sammenblanding.»Det vil imidlertid kreve at den fysiske separasjonen av skyene økes utover det som ble gjort i de nåværende forsøkene, la han til. Ideelt Sett Sa Klempt at du ville dele skyen videre inn i individuelt adresserbare atomer.»Store» kvanteobjekter som disse kan også gjøre det mulig for oss å undersøke ny fysikk: for å finne ut, for eksempel, hva som skjer når tyngdekraften begynner å bli en betydelig innflytelse på kvanteadferd. «Med denne nye måten å kontrollere og manipulere store innviklede stater, kan Det være rom for sofistikerte tester av kvanteffekter i gravitasjonsteorier,» Sa Eisert. Det har for eksempel blitt foreslått at gravitasjonseffekter kan indusere en fysisk sammenbrudd av kvantetilstander i klassiske, en ide som i prinsippet er egnet til å eksperimentere med superposisjoner eller innviklede tilstander av store masser. Treutlein sa at en måte å teste fysiske kollaps modeller innebærer interferens mellom distinkte atom » materie bølger — – og, la han til, hans gruppe er delt, viklet BEC kan fungere som et slikt atom interferometer. «De fleste fysikere vil sannsynligvis ikke forvente en plutselig sammenbrudd av kvantfysikk» som systemstørrelsen øker, Sa Klempt. Men Kunkel la til at «det er fortsatt et åpent spørsmål, eksperimentelt og teoretisk, om det er en grunnleggende grense for størrelsen på objektene som kan vikles inn i hverandre.»
«det mest interessante spørsmålet er om det er noen grunnleggende størrelse der man ikke på en eller annen måte kan gjøre inngrep,» Sa Sillanpää. «Det ville bety at noe annet i tillegg til normal kvantemekanikk kommer inn i bildet, og dette kan for eksempel kollapse på grunn av tyngdekraften.»Hvis tyngdekraften spiller en rolle, kan det gi noen hint om hvordan man utvikler en teori om kvantegravitasjon som forener de for tiden uforenlige teoriene om kvantemekanikk og generell relativitet.
Det ville være litt Av et kupp For schrö kattunger. For nå forsterker de den generelle troen på at det ikke er noe spesielt med kvanteadferd, utover det faktum at det spinner seg inn i en stadig mer sammenflettet kattens vugge hvorfra vår klassiske web kommer fram. Og ingen katt trenger å bli drept i prosessen.