Schrödinger’ s kittens zijn nooit erg schattig geweest, en het laatste nestje is geen uitzondering. Beelden van nevelige wolken van ultrakoude atomen of microscopische stroken silicium zullen waarschijnlijk niet viraal gaan op het internet. Toch zijn deze exotische objecten de moeite waard, omdat ze met ongekende helderheid laten zien dat kwantummechanica niet alleen de fysica van het extreem kleine is.”Schrödinger’ s kittens, ” losjes gesproken, zijn objecten die halverwege de atomaire schaal, die oorspronkelijk werd ontwikkeld om de kwantummechanica te beschrijven, en de kat die Erwin Schrödinger beroemde aangeroepen om de schijnbare absurditeit van wat die theorie leek te impliceren benadrukken. Deze systemen zijn “mesoscopisch” -misschien rond de grootte van virussen of bacteriën, samengesteld uit vele duizenden of zelfs miljarden atomen, en dus veel groter dan de typische schalen waarop contra-intuïtieve kwantummechanische eigenschappen meestal verschijnen. Ze zijn ontworpen om de vraag te onderzoeken: hoe groot kun je worden met behoud van die kwantumeigenschappen?
te oordelen naar de laatste resultaten, is het antwoord: behoorlijk groot. Twee verschillende soorten experimenten-beide uitgevoerd door verschillende groepen onafhankelijk-hebben aangetoond dat grote aantallen atomen kunnen worden geplaatst in collectieve kwantumtoestanden, waar we niet zeker kunnen zeggen dat het systeem heeft een set van Eigenschappen of een andere. In een reeks experimenten betekende dit” verstrengelen “twee regio’ s van een wolk van koude atomen om hun eigenschappen onderling afhankelijk en gecorreleerd te maken op een manier die achteloos lijkt van hun ruimtelijke scheiding. In de andere werden microscopische vibrerende objecten gemanoeuvreerd in zogenaamde superposities van trillingstoestanden. Beide resultaten zijn losjes analoog aan de manier waarop Schrödinger ‘ s beruchte kat, terwijl verborgen in de doos, werd gezegd te zijn in een superpositie van levende en dode Staten.
de vraag hoe de regels van de kwantummechanica veranderen in de ogenschijnlijk heel andere regels van de klassieke mechanica — waar objecten goed gedefinieerde eigenschappen, posities en paden hebben-heeft wetenschappers verbaasd sinds de kwantumtheorie voor het eerst werd ontwikkeld in het begin van de 20e eeuw. Is er een fundamenteel verschil tussen grote klassieke objecten en kleine kwantum objecten? Dit raadsel van de zogenaamde kwantum-klassieke overgang werd op iconische wijze belicht door Schrödingers gedachte-experiment.
de arme kat is een veel verkeerd begrepen beest. Schrödingers punt was niet, zoals vaak geïmpliceerd, de schijnbare absurditeit van de kwantummechanica als geëxtrapoleerd tot de alledaagse schaal. De kat was het product van correspondentie tussen Schrödinger en Albert Einstein, nadat Einstein de interpretatie van de kwantummechanica had bekritiseerd die door de Deense natuurkundige Niels Bohr en zijn collega ‘ s werd verdedigd.
Bohr argumenteerde dat kwantummechanica ons lijkt te dwingen te concluderen dat de eigenschappen van kwantumobjecten zoals elektronen geen goed gedefinieerde waarden hebben totdat we ze meten. Voor Einstein leek het gek dat een element van de realiteit afhangt van onze bewuste interventie om het tot stand te brengen. Met twee jongere collega ‘ s, Boris Podolsky en Nathan Rosen, presenteerde hij in 1935 een gedachte-experiment dat die interpretatie onmogelijk leek te maken. De drie van hen (wiens werk nu gaat door het collectieve label EPR) opgemerkt dat deeltjes kunnen worden gemaakt in staten die moeten worden gecorreleerd met elkaar, in de zin dat als een van hen heeft een bepaalde waarde voor een eigenschap, de andere moet een andere bijzondere waarde hebben. In het geval van twee elektronen, die een eigenschap hebben die spin wordt genoemd, kan één spin “omhoog” wijzen terwijl de andere elektronen “omlaag” gaan.”
in dat geval, volgens Einstein en zijn collega ‘ s, als Bohr gelijk heeft en de werkelijke richtingen van de spins zijn onbepaald totdat je ze meet, dan betekent de correlatie van de twee spins dat het meten van een van hen direct de oriëntatie van de andere fixeert — ongeacht hoe ver het deeltje is. Einstein noemde deze schijnbare verbinding “spookachtige actie op afstand.”Maar zo’ n fenomeen zou onmogelijk moeten zijn, omdat Einsteins speciale relativiteitstheorie laat zien dat geen enkele invloed zich sneller kan verspreiden dan licht.
Schrödinger noemde deze correlatie tussen de deeltjes “verstrengeling.”Experimenten sinds de jaren zeventig hebben aangetoond dat het een echt kwantumfenomeen is. Maar dit betekent niet dat kwantumdeeltjes elkaar op een of andere manier direct door de ruimte kunnen beïnvloeden door Einsteins spookachtige actie. Het is beter om te zeggen dat de kwantumeigenschappen van een enkel deeltje niet noodzakelijkerwijs op één vaste plaats in de ruimte worden bepaald, maar “niet-lokaal” kunnen zijn: alleen volledig gespecificeerd in relatie tot een ander deeltje elders, op een manier die onze intuïtieve notie van ruimte en afstand lijkt te ondermijnen.Schrödingers kat ontstond uit zijn mijmeringen over de eigenaardigheden van EPR verstrengeling. Schrödinger wilde laten zien hoe Bohr ‘ s idee dat er niets is vastgesteld totdat het wordt gemeten zou kunnen leiden tot logische absurditeit als we dachten blazen verstrengeling tot alledaagse grootte. Zijn gedachte-experiment plaatst de ongelukkige kat in een gesloten doos met een flesje dodelijk gif, dat opengebroken kan worden door een mechanisme dat het verbindt met — in feite, verstrengelt met — een kwantumdeeltje of gebeurtenis. De trigger kan afkomstig zijn van een elektron, het breken van het flesje als het heeft opwaartse spin, maar niet als het heeft neerwaartse spin. Je kunt het elektron dan voorbereiden in een zogenaamde superpositie van toestanden, waarbij zowel opwaartse als neerwaartse spin mogelijke uitkomsten van een meting zijn. Maar als de spin onbepaald is voor de meting, dan moet dat ook de status van de kat zijn — er is geen manier waarop je zinvol kunt zeggen of hij leeft of dood is. En dat is zeker onzinnig.
Schrödinger ‘ s punt was niet alleen dat kwantumregels leiden tot schijnbare onzin wanneer toegepast op de dagelijkse Schaal — je hebt geen kat nodig voor dat. In plaats daarvan wilde hij een extreme demonstratie vinden van hoe het uitstellen van elke toewijzing van een bepaalde staat (levend of dood) totdat de meting is gedaan (door de doos te openen om te kijken) zou kunnen leiden tot implicaties die niet alleen vreemd maar logisch verboden lijken.
voor Bohr zou dit een ongeldige scenario — meting, zoals het openen van de doos en het kijken naar de kat, was voor hem altijd een macroscopisch en daarom een klassiek proces, zodat kwantumregels niet langer van toepassing zouden zijn. Maar hoe zorgt meting dan voor die magische transformatie van kwantum naar klassiek?
in plaats van erover te discussiëren, waarom niet gewoon het experiment doen? Het probleem is, terwijl het allemaal heel goed was voor Schrödinger om een kat “kwantum” te maken door het te koppelen aan een atomaire gebeurtenis, is het helemaal niet duidelijk hoe-of inderdaad of — we dat opschalen in de praktijk kunnen doen, of inderdaad wat een superpositie van levend en dood zou kunnen betekenen in termen van kwantumtoestanden.
maar met moderne technieken kunnen we ons voorstellen dat we goed gedefinieerde kwantum superposities creëren van relatief grote objecten-niet zo groot als katten, maar veel groter dan eenzame atomen — en hun eigenschappen onderzoeken. Dit is waar de pogingen om Schrödinger ‘ s kittens te maken over gaan.”veel natuurkundigen verwachten niet echt verrassingen op grote schaal”, zegt Simon Gröblacher van de Technische Universiteit Delft in Nederland. “Maar het is gewoon niet bekend wat er zal gebeuren als je begint met het maken van kwantumtoestanden met ongeveer 1023 atomen,” dat is de typische schaal van alledaagse objecten.
de nieuwe experimenten tonen aan dat, ondanks wat Schrödinger dacht, relatief grote objecten inderdaad contra-intuïtief kwantumgedrag kunnen vertonen.Gröblacher en zijn collega ‘ s creëerden microbalken van silicium, elk 10 micrometer lang en 1 bij 0,25 micrometer in doorsnede. Elke bevatte gaten langs de stralen die infrarood laserlicht zouden absorberen en opvangen. De onderzoekers dan opgewonden die stralen met licht verzonden in een superpositie van paden, een naar elke bundel. Door dit te doen, waren ze in staat om twee stralen te verstrengelen in een enkele kwantum trillingsstaat. Je zou het kunnen zien als het zeer kleine equivalent van twee verstrengelde katten.een ander soort verstrengeling tussen mechanische oscillatoren werd gemeld, in back-to-back papers met Gröblacher ’s team in Nature, door Mika Sillanpää van de Universiteit van Aalto in Finland en collega’ s. Ze koppelden twee microscopische drumhead-achtige metalen platen via een supergeleidende draad. De draad kan een elektrische stroom bevatten die oscilleert bij microgolffrequenties (ongeveer 5 miljard trillingen per seconde); het elektromagnetische veld oefent een druk uit op de Trilplaten. “De elektromagnetische velden fungeren als een soort medium dat de twee drumheads in de verstrengelde kwantumtoestand dwingt,” zei Sillanpää.
onderzoekers hebben lang gezocht naar kwantumeffecten zoals superpositie en verstrengeling in “grote” micromechanische oscillatoren zoals deze, die miljarden atomen bevatten. “Verstrengelde Staten van mechanische oscillatoren zijn theoretisch besproken sinds de late jaren 1970, maar alleen in de laatste paar jaar is het technisch mogelijk om dergelijke staten te creëren,” Sillanpää zei.
wat deze experimenten zo ‘ n tour de force maakt, is dat ze het proces vermijden dat over het algemeen grote objecten transformeert van objecten die worden beheerst door kwantumregels in objecten die de klassieke fysica gehoorzamen. Dit proces lijkt te voorzien in het ontbrekende deel (tenminste, het grootste deel ervan) van de puzzel van de meting, die Bohr links zo gek vaag.
het heet decoherentie-en, nogal netjes, het draait allemaal om verstrengeling. Volgens de kwantummechanica is verstrengeling een onvermijdelijk gevolg van elke interactie tussen twee kwantumobjecten. Dus als een object — een kat, laten we zeggen — begint in een superpositie van toestanden, die superpositie — die kwantiteit, zou je kunnen zeggen-verspreidt zich als het object interageert met zijn omgeving en er steeds meer mee verstrikt raakt. Maar als je de superpositie wilt observeren, moet je het kwantumgedrag afleiden van alle verstrengelde deeltjes. Dit wordt al snel onmogelijk, op dezelfde manier als het onmogelijk wordt om alle atomen in een inktvlek op te sporen als het zich verspreidt in een zwembad. Door interactie met de omgeving lekt de kwantum natuur van het oorspronkelijke deeltje weg en wordt verspreid. Dat is decoherentie.
Kwantumtheoretici hebben aangetoond dat decoherentie aanleiding geeft tot het soort gedrag dat in de klassieke natuurkunde wordt gezien. En experimentalisten hebben het bewezen in experimenten die de snelheid van decoherentie kunnen controleren, waar de karakteristieke kwantumeffecten zoals golfachtige interferentie van deeltjes geleidelijk verdwijnen naarmate de decoherentie vordert.
Decoherentie staat dus centraal in het huidige begrip van de kwantum-klassieke overgang. Het vermogen van een object om kwantumgedrag te vertonen, zoals interferentie, superpositie en verstrengeling-geïnduceerde correlaties, heeft niets te maken met hoe groot het is. In plaats daarvan hangt het af van hoe verstrikt het is met zijn omgeving.
niettemin speelt grootte over het algemeen een rol, omdat hoe groter een object is, hoe gemakkelijker het verstrengeld kan raken met zijn omgeving en decohere. Een groot, warm, rusteloos object als een kat heeft geen hoop om in een kwantummechanische superpositie van welke aard dan ook te blijven en zal min of meer direct decohere.
als je gewoon een kat in een doos stopt en zijn lot koppelt aan de uitkomst van een kwantumgebeurtenis, is het niet waarschijnlijk dat je hem in een superpositie van levend en dood plaatst, omdat decoherentie hem bijna direct in de ene of de andere staat zal dwingen. Als je decoherentie zou kunnen onderdrukken door alle interactie met de omgeving te verwijderen (zonder de kat te doden in een ultrakoud vacuüm!)- nou, dan is het een ander verhaal en de argumenten blijven. Het is bijna onmogelijk voor te stellen hoe dat te bereiken voor een kat. Maar dat is in essentie wat de teams van Gröblacher en Sillanpää met hun kleine oscillatoren hebben bereikt.
in plaats van van boven naar beneden naar de kwantum-klassieke grens te werken, om te zien of we quantumness kunnen oproepen tot een vibrerend object wanneer het klein genoeg is, kunnen we het van onderaf benaderen. Aangezien we weten dat kwantumeffecten zoals superpositie en interferentie gemakkelijk te zien zijn in individuele atomen en zelfs kleine moleculen, kunnen we ons afvragen in hoeverre deze effecten kunnen worden gehandhaafd als we meer atomen blijven toevoegen. Drie teams hebben nu deze vraag onderzocht, het bereiken van kwantumtoestanden voor wolken tot tienduizenden ultrakoude atomen door ze te verstrengelen in een staat genaamd een Bose-Einstein condensaat (BEC).Einstein en de Indiase natuurkundige Satyendra Nath Bose wezen erop dat een dergelijke toestand kan bestaan onder bosonen (genoemd naar Bose), een van de twee algemene klassen van fundamentele deeltjes. In een BEC bevinden alle deeltjes zich in dezelfde kwantumtoestand, wat in feite betekent dat ze als één groot kwantumobject handelen. Omdat het een kwantumeffect is, gebeurt Bose-Einstein condensatie alleen bij zeer lage temperaturen, en een BEC werd alleen gezien in zijn zuiverste vorm — een wolk van bosonische deeltjes — in 1995, in atomen van rubidium afgekoeld tot slechts een paar miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt.
BECs gemaakt van dergelijke ultrakoude atomen hebben natuurkundigen een nieuw medium gegeven voor het onderzoeken van kwantumfenomenen. In het verleden hebben onderzoekers aangetoond dat zo ‘ n wolk — misschien enkele duizenden atomen — in een staat kan worden geplaatst waarin alle atomen kwantumverstrengeld zijn.
Dit zijn niet strikt Schrödinger ‘ s kittens, zei Carsten Klempt van Leibniz University Hannover in Duitsland. Die worden over het algemeen gedefinieerd als superposities van toestanden die zo verschillend zijn als zou kunnen zijn: bijvoorbeeld, allemaal met opwaartse spin en allemaal met neerwaartse spin (analoog aan “levend” en “dood”). Dat is niet het geval in deze verstrengelde wolken van atomen. Niettemin vertonen ze nog steeds kwantumgedrag op een relatief grote schaal.
er is echter een belangrijker voorbehoud bij het idee dat ze “kitten-schaal” belichamingen zijn van EPR-stijl verstrengeling. De atomen zijn allemaal door elkaar gehaald in de ruimte en zijn identiek en niet te onderscheiden. Dit betekent dat, zelfs als ze verstrikt zijn, je het niet kunt zien in termen van een correlatie tussen de eigenschap van een object hier en een ander object daar. “Bose-Einstein condensaten van ultrakoude atomen bestaan uit grote ensembles van niet te onderscheiden atomen, letterlijk gelijk in elke fysieke waarneembare,” Klempt zei. “Daarom kan de oorspronkelijke definitie van verstrengeling niet in hen worden gerealiseerd.”In feite is het hele concept van verstrengeling tussen niet te onderscheiden deeltjes theoretisch betwist. “Dat komt omdat de notie van verstrengeling de mogelijkheid vereist om de subsystemen te definiëren die met elkaar verstrengeld zijn”, zegt Philipp Kunkel van de Universiteit van Heidelberg in Duitsland.een veel duidelijker soort verstrengeling, direct analoog aan de verstrengeling van de ruimtelijk gescheiden deeltjes in het EPR-gedachte-experiment, is nu aangetoond in drie afzonderlijke experimenten door Klempt ’s team in Hannover, Kunkel’ s groep (onder leiding van Markus Oberthaler) in Heidelberg, en een team onder leiding van Philipp Treutlein aan de Universiteit van Bazel in Zwitserland. “Het conflict met de klassieke natuurkunde is vooral opvallend wanneer de verstrengeling wordt waargenomen tussen dergelijke ruimtelijk gescheiden systemen,” Treutlein zei. “Dit is de situatie die de EPR-krant uit 1935 beschouwt.”
alle drie groepen maakten gebruik van wolken van honderden tot duizenden rubidium-atomen die zich in elektromagnetische velden bevinden (geproduceerd door microscopische apparaten op een “atoom-chip” of gegenereerd door gekruiste laserstralen). De onderzoekers gebruikten infrarode lasers om kwantumovergangen in de spins van de atomen op te wekken en zochten naar de correlaties tussen spinwaarden die het veelzeggende teken van verstrengeling zijn. Terwijl de groepen Heidelberg en Bazel twee verschillende regio ’s in één grote wolk aanpakten, splitste Klempt’ s groep de wolk door een gebied met lege ruimte in het midden in te voegen.
De Bazel-en Heidelberg-groepen toonden verstrengeling aan via een effect dat quantumsturing wordt genoemd, waarbij de schijnbare onderlinge afhankelijkheid van de twee verstrengelde gebieden wordt benut, zodat metingen op een van hen onderzoekers in staat stellen de metingen van de andere te voorspellen. “De term ‘steering’ werd geïntroduceerd door Schrödinger, ” Treutlein uitgelegd. “Het verwijst naar het feit dat, afhankelijk van het meetresultaat in regio a, de kwantumtoestand die we gebruiken om Systeem B veranderingen te beschrijven.”Maar dit betekent niet dat er een onmiddellijke informatie-overdracht of communicatie tussen A en B.” men kan niet sturen de toestand van het verre systeem deterministisch, omdat de uitkomst van de meting is nog steeds probabilistisch, ” Kunkel zei. “Er is geen causatieve invloed.”
deze resultaten zijn” zeer spannend”, zei Jens Eisert van de Vrije Universiteit van Berlijn, die niet bij het werk betrokken was. “Verstrengeling in atomaire dampen is al lang eerder gegenereerd, “zei hij,” maar wat hier anders is, zijn de niveaus van adresseerbaarheid en controle in deze systemen.”
naast de duidelijkere demonstratie van verstrengeling wanneer het bestaat tussen ruimtelijk gescheiden gebieden, is er ook een praktisch voordeel om dingen op deze manier te doen: je kunt de afzonderlijke gebieden individueel aanpakken voor kwantum informatieverwerking. “Het is zelfs in principe niet mogelijk om individuele atomen in de BEC aan te pakken zonder dat alle andere atomen, als ze allemaal op dezelfde locatie,” Treutlein zei. “Echter, als we de twee ruimtelijk gescheiden gebieden individueel kunnen aanpakken, wordt de verstrengeling beschikbaar voor kwantum informatie taken zoals kwantum teleportatie of verstrengeling swapping.”Dat, echter, zal de fysieke scheiding van de wolken te worden verhoogd dan wat werd gedaan in de huidige experimenten, voegde hij eraan toe. Idealiter, Klempt zei, Je zou de wolk verder te verdelen in individueel adresseerbare atomen.
” Grote ” kwantumobjecten zoals deze zouden ons ook in staat kunnen stellen om nieuwe fysica te onderzoeken: om bijvoorbeeld uit te vinden wat er gebeurt als zwaartekracht een significante invloed begint te worden op kwantumgedrag. “Met deze nieuwe manier van controleren en manipuleren van grote verstrengelde Staten, kan er ruimte zijn voor geavanceerde tests van kwantumeffecten in gravitationele theorieën,” Eisert zei. Er is bijvoorbeeld voorgesteld dat gravitationele effecten een fysieke ineenstorting van kwantumtoestanden in klassieke kunnen veroorzaken, een idee dat in principe vatbaar is om te experimenteren met superposities of verstrengelde toestanden van grote massa ‘ s. Treutlein zei dat een manier om fysieke-ineenstorting modellen te testen omvat interferentie tussen verschillende atomaire “materie golven” — en, voegde hij eraan toe, zijn groep split, verstrikt BEC kan fungeren als een dergelijke atoom interferometer. “De meeste natuurkundigen zullen waarschijnlijk niet verwachten dat een plotselinge afbraak van de kwantumfysica” als het systeem grootte toeneemt, Klempt zei. Maar Kunkel voegde daaraan toe: “het is nog steeds een open vraag, experimenteel en theoretisch, of er een fundamentele limiet is aan de grootte van de objecten die met elkaar verstrengeld kunnen worden.”
“de meest interessante vraag is of er een fundamentele grootte is waar men in zekere zin geen verstrengeling kan maken,” zei Sillanpää. “Dat zou betekenen dat er iets anders in aanvulling op de normale kwantummechanica komt in het beeld, en dit kan, bijvoorbeeld, instorten als gevolg van de zwaartekracht.”Als zwaartekracht een rol speelt, kan dat een aantal hints bieden voor het ontwikkelen van een theorie van kwantumzwaartekracht die de momenteel incompatibele theorieën van kwantummechanica en algemene relativiteit verenigt.
dat zou nogal een coup zijn voor Schrödinger ‘ s kittens. Voor nu, ze versterken de algemene overtuiging dat er niets bijzonders aan kwantum gedrag, dan het feit dat het draait zich in een steeds meer verwarde kat wieg waaruit ons klassieke web ontstaat. En daarbij hoeft geen kat gedood te worden.