kocięta Schrödingera nigdy nie były bardzo słodkie, a najnowszy miot nie jest wyjątkiem. Obrazy mglistych chmur ultrazimnych atomów lub mikroskopijnych pasków krzemu raczej nie staną się wirusowe w Internecie. Mimo wszystko, te egzotyczne obiekty są warte uwagi, ponieważ pokazują z niespotykaną klarownością, że mechanika kwantowa to nie tylko fizyka ekstremalnie małych.

„kocięta Schrödingera”, luźno mówiąc, są obiektami rozłożonymi w połowie wielkości pomiędzy skalą atomową, którą mechanika kwantowa została pierwotnie opracowana w celu opisania, a kotem, którego Erwin Schrödinger słynnie przywołał, aby podkreślić pozorną absurdalność tego, co ta teoria wydawała się sugerować. Układy te są „mezoskopowe” -być może wielkości wirusów lub bakterii, złożone z wielu tysięcy, a nawet miliardów atomów, a więc znacznie większe niż typowe skale, w których zwykle pojawiają się przeciwintuicyjne właściwości kwantowo-mechaniczne. Są one zaprojektowane, aby zbadać pytanie: jak duże można uzyskać, zachowując jednocześnie te właściwości kwantowe?

oceniając po najnowszych wynikach, odpowiedź brzmi: cholernie duża. Dwa różne rodzaje eksperymentów — oba prowadzone przez kilka grup niezależnie-wykazały, że ogromna liczba atomów może być umieszczona w zbiorowych Stanach kwantowych, gdzie nie możemy zdecydowanie powiedzieć,że system ma jeden zestaw właściwości lub inny. W jednym z zestawów eksperymentów oznaczało to „splątanie” dwóch regionów chmury zimnych atomów, aby ich właściwości były współzależne i skorelowane w sposób, który wydaje się nie zważać na ich przestrzenne oddzielenie. W drugim mikroskopijne obiekty wibrujące były manewrowane w tzw. superpozycje Stanów wibracyjnych. Oba wyniki są luźno analogiczne do sposobu, w jaki osławiony kot Schrödingera, choć ukryty w pudełku, był uważany za superpozycję żywych i martwych Stanów.

pytanie o to, w jaki sposób zasady mechaniki kwantowej przekształcają się w pozornie zupełnie inne zasady mechaniki klasycznej — gdzie obiekty mają dobrze zdefiniowane właściwości, pozycje i ścieżki-zastanawiało naukowców od czasu, gdy teoria kwantowa została po raz pierwszy opracowana na początku XX wieku. Czy istnieje jakaś zasadnicza różnica między dużymi obiektami klasycznymi a małymi obiektami kwantowymi? Ta zagadka tzw. kwantowo-klasycznego przejścia została podkreślona w ikoniczny sposób przez eksperyment myślowy Schrödingera.

biedny kot to niezrozumiała bestia. Punkt Schrödingera nie był, jak to często sugerowano, pozorną absurdalnością mechaniki kwantowej, jeśli ekstrapolowano ją do skali codziennej. Kot był produktem korespondencji między Schrödingerem a Albertem Einsteinem, po tym jak Einstein skrytykował interpretację mechaniki kwantowej, której bronił duński fizyk Niels Bohr i jego współpracownicy.

Bohr twierdził, że mechanika kwantowa wydaje się zmuszać nas do wniosku, że właściwości obiektów kwantowych, takich jak elektrony, nie mają dobrze zdefiniowanych wartości, dopóki ich nie zmierzymy. Einsteinowi wydawało się Szalone, że jakiś element rzeczywistości zależy od naszej świadomej interwencji, aby go urzeczywistnić. Wraz z dwoma młodszymi kolegami, Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem, w 1935 roku przedstawił eksperyment myślowy, który sprawił, że ta interpretacja okazała się niemożliwa. Trójka z nich (których praca obecnie nosi kolektywną Etykietę EPR) zauważyła, że cząstki mogą być tworzone w Stanach, które muszą być ze sobą skorelowane, w tym sensie, że jeśli jedna z nich ma określoną wartość dla jakiejś właściwości, druga musi mieć inną określoną wartość. W przypadku dwóch elektronów, które mają właściwość zwaną spinem, jeden spin może wskazywać „w górę”, podczas gdy drugi elektron „w dół”.”

W takim przypadku, według Einsteina i jego współpracowników, jeśli Bohr ma rację i rzeczywiste Kierunki spinów są nieokreślone, dopóki ich nie zmierzysz, to korelacja dwóch spinów oznacza, że pomiar jednego z nich natychmiast ustala orientację drugiego — bez względu na to, jak daleko jest cząstka. Einstein nazwał to pozorne połączenie ” strasznym działaniem na odległość.”Ale takie zjawisko powinno być niemożliwe, ponieważ teoria szczególnej teorii względności Einsteina pokazuje, że żaden wpływ nie może propagować się szybciej niż światło.

Schrödinger nazwał tę korelację między cząstkami „splątaniem.”Eksperymenty od lat 70. pokazały, że jest to prawdziwe zjawisko kwantowe. Ale to nie znaczy, że cząstki kwantowe mogą w jakiś sposób oddziaływać na siebie nawzajem w przestrzeni poprzez upiorne działanie Einsteina. Lepiej powiedzieć, że właściwości kwantowe pojedynczej cząstki niekoniecznie są determinowane w jednym stałym miejscu w przestrzeni, ale mogą być „nielokalne”: w pełni określone tylko w odniesieniu do innej cząstki gdzie indziej, w sposób, który wydaje się podważać nasze intuicyjne pojęcie przestrzeni i odległości.

kot Schrödingera powstał z jego rozważań na temat specyfiki splątania EPR. Schrödinger chciał pokazać, jak przekonanie Bohra, że nic nie jest ustalone, dopóki nie zostanie zmierzone, może prowadzić do logicznego absurdu, jeśli wyobrazimy sobie dmuchanie splątania do codziennych rozmiarów. Jego eksperyment myślowy umieszcza nieszczęsnego kota w zamkniętym pudełku z fiolką śmiertelnej trucizny, którą można otworzyć za pomocą jakiegoś mechanizmu łączącego go z — w rzeczywistości splątując go — cząstką kwantową lub zdarzeniem. Wyzwalacz może pochodzić z elektronu, rozbijając fiolkę, jeśli ma spin w górę, ale nie, jeśli ma spin w dół. Następnie można przygotować elektron w tak zwanej superpozycji stanów, w których zarówno spin w górę, jak i spin w dół są możliwymi wynikami pomiaru. Ale jeśli spin jest nieokreślony przed pomiarem, to musi być również status kota — nie ma mowy, abyś mógł wymownie powiedzieć, czy jest żywy, czy martwy. A to z pewnością bezsensowne.

Schrödingera nie chodziło po prostu o to, że reguły kwantowe prowadzą do pozornych bzdur, gdy są stosowane w skali codziennej — nie potrzebujesz do tego kota. Chciał raczej znaleźć skrajną demonstrację tego, jak odroczenie jakiegokolwiek przypisania określonego stanu (żywego lub martwego) do czasu dokonania pomiaru (poprzez otwarcie Pudełka na wygląd) może prowadzić do implikacji, które wydają się nie tylko dziwne, ale logicznie zabronione.

Bohrowi wydawało by się to błędnym scenariuszem — pomiar, taki jak otwieranie pudełka i patrzenie na kota, był dla niego zawsze procesem makroskopowym, a więc klasycznym, więc reguły kwantowe nie miałyby już zastosowania. Ale w jaki sposób pomiar zapewnia magiczną transformację z kwantowej na klasyczną?

zamiast się o to kłócić, dlaczego po prostu nie zrobić eksperymentu? Problem polega na tym, że podczas gdy Schrödinger mógł sobie wyobrazić stworzenie kota „kwantowego” poprzez sprzężenie go z jakimś zdarzeniem w skali atomowej, to wcale nie jest jasne, jak-a nawet czy — możemy to zrobić w praktyce, lub co superpozycja żywych i martwych może oznaczać w kategoriach stanów kwantowych.

ale dzięki nowoczesnym technikom możemy sobie wyobrazić tworzenie dobrze zdefiniowanych superpozycji kwantowych stosunkowo dużych obiektów-nie tak dużych jak koty, ale znacznie większych niż samotne atomy — i badanie ich właściwości. Na tym właśnie polega praca nad stworzeniem kociąt Schrödingera.

„wielu fizyków tak naprawdę nie oczekuje żadnych niespodzianek na dużą skalę”, powiedział Simon Gröblacher z Uniwersytetu Technicznego w Delft w Holandii. „Ale po prostu nie wiadomo, co się stanie, jeśli zaczniesz tworzyć Stany kwantowe z około 1023 atomami”, co jest typową skalą przedmiotów codziennego użytku.

nowe eksperymenty pokazują, że pomimo tego, co myślał Schrödinger, stosunkowo duże obiekty mogą rzeczywiście wykazywać sprzeczne z intuicją zachowania kwantowe.

Gröblacher i jego współpracownicy stworzyli mikrowłókna krzemu o długości 10 mikrometrów i przekroju 1 na 0,25 mikrometra. Każdy z nich miał otwory wzdłuż wiązek, które pochłaniały i zatrzymywały światło laserowe w podczerwieni. Następnie badacze wzbudzili te wiązki światłem wysyłanym w superpozycji ścieżek, po jednej do każdej wiązki. W ten sposób udało im się splątać dwie wiązki w jeden kwantowy stan wibracyjny. Można o tym myśleć jako o bardzo małym odpowiedniku dwóch splątanych kotów.

inny rodzaj splątania między oscylatorami mechanicznymi został opisany przez Mikę Sillanpää z Uniwersytetu w Aalto w Finlandii w opracowaniach z zespołem Gröblachera in Nature. Połączyli dwie mikroskopijne blachy podobne do głowicy perkusyjnej za pomocą nadprzewodzącego drutu. Przewód może zawierać prąd elektryczny oscylujący przy częstotliwościach mikrofalowych (około 5 miliardów drgań na sekundę); jego pole elektromagnetyczne wywiera nacisk na wibrujące płyty. „Pola elektromagnetyczne działają jako rodzaj medium, które zmusza dwa głowice perkusyjne do splątanego stanu kwantowego”, powiedział Sillanpää.

naukowcy od dawna starali się osiągnąć efekty kwantowe, takie jak superpozycja i splątanie w „dużych” mikromechanicznych oscylatorach, takich jak te, które zawierają miliardy atomów. „Splątane Stany oscylatorów mechanicznych są omawiane teoretycznie od końca lat 70., ale dopiero w ciągu ostatnich kilku lat technicznie możliwe było stworzenie takich stanów” – powiedział Sillanpää.

co sprawia, że te eksperymenty są takie tour de force jest to, że unikają procesu, który zazwyczaj przekształca duże obiekty z tych rządzonych przez reguły kwantowe w te, które są zgodne z klasyczną fizyką. Proces ten wydaje się dostarczyć brakującą część (przynajmniej, większość) zagadki pomiaru, które Bohr pozostawił tak szalenie niejasne.

nazywa się to dekoherencją — i raczej porządnie chodzi o splątanie. Według mechaniki kwantowej splątanie jest nieuniknionym wynikiem jakiejkolwiek interakcji między dwoma obiektami kwantowymi. Więc jeśli obiekt — powiedzmy kot-zaczyna się w superpozycji Stanów, ta superpozycja — ta ilość, można powiedzieć-rozprzestrzenia się, gdy obiekt wchodzi w interakcję ze swoim otoczeniem i staje się z nim coraz bardziej uwikłany. Ale jeśli chcesz obserwować superpozycję, musisz wydedukować kwantowe zachowanie wszystkich splątanych cząstek. Szybko staje się to niemożliwe, w taki sam sposób, jak niemożliwe staje się prześledzenie wszystkich atomów w kropli atramentu, gdy rozprasza się w basenie. Ze względu na interakcję z otoczeniem, kwantowa natura oryginalnej cząstki wycieka i jest rozproszona. To dekoherencja.

teoretycy Kwantowi wykazali, że dekoherencja prowadzi do takiego zachowania, jakie można zaobserwować w fizyce klasycznej. Eksperymentatorzy udowodnili to w eksperymentach, które mogą kontrolować szybkość dekoherencji, gdzie charakterystyczne efekty kwantowe, takie jak falopodobne interferencje cząstek, stopniowo znikają w miarę postępu dekoherencji.

Dekoherencja jest zatem centralnym elementem obecnego rozumienia kwantowo-klasycznego przejścia. Zdolność obiektu do pokazywania zachowań kwantowych, takich jak interferencja, superpozycja i korelacje wywołane splątaniem, nie ma nic wspólnego z tym, jak duży jest. Zamiast tego zależy od tego, jak splątany jest ze swoim otoczeniem.

niemniej jednak Rozmiar zasadniczo odgrywa rolę, ponieważ im większy jest obiekt, tym łatwiej może się on uwikłać w otoczenie i decohere. Duży, ciepły, niespokojny obiekt, taki jak kot, nie ma nadziei na pozostanie w jakiejkolwiek kwantowo-mechanicznej superpozycji i od razu ulegnie decohere ’ owi.

Jeśli po prostu włożysz kota do pudełka i połączysz jego los z wynikiem jakiegoś zdarzenia kwantowego, prawdopodobnie nie umieścisz go w superpozycji żywego i martwego, ponieważ dekoherencja niemal natychmiast zmusi go do jednego lub drugiego stanu. Gdybyś mógł stłumić dekoherencję, usuwając wszelką interakcję z otoczeniem (bez zabijania kota w ultrazimnej próżni!)- no to już inna historia i argumenty się utrzymują. Trudno sobie wyobrazić, jak to osiągnąć dla kota. Ale to właśnie udało się osiągnąć zespołom Gröblachera i Sillanpää dzięki swoim maleńkim oscylatorom.

zamiast pracować w kierunku granicy kwantowo-klasycznej od góry do dołu, widząc, czy możemy wyczarować ilość w wibrujący Obiekt, gdy jest wystarczająco mały, możemy dotrzeć do niego od dołu do góry. Ponieważ wiemy, że efekty kwantowe, takie jak superpozycja i interferencja, są łatwo widoczne w pojedynczych atomach, a nawet małych cząsteczkach, możemy się zastanawiać, jak daleko te efekty mogą być utrzymane, gdy dodajemy więcej atomów. Trzy zespoły zbadały teraz tę kwestię, osiągając Stany kwantowe dla chmur do dziesiątek tysięcy ultrazimnych atomów poprzez splątanie ich w stanie zwanym kondensatem Bosego-Einsteina (BEC).

Einstein i indyjski fizyk Satyendra Nath Bose wskazali, że taki stan może istnieć wśród bozonów (nazwanych od Bose), jednej z dwóch ogólnych klas cząstek fundamentalnych. W BEC wszystkie cząstki są w tym samym pojedynczym stanie kwantowym, co oznacza, że działają raczej jak jeden duży obiekt kwantowy. Ponieważ jest to efekt kwantowy, kondensacja Bosego-Einsteina zachodzi tylko w bardzo niskich temperaturach, a BEC zaobserwowano tylko w najczystszej postaci — chmurze cząstek bozonowych — w 1995 roku, w atomach rubidu schłodzonych do zaledwie kilku miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego.

BECs wykonane z takich ultrazimnych atomów dały fizykom nowe medium do badania zjawisk kwantowych. W przeszłości naukowcy wykazali, że taka Chmura-być może kilka tysięcy atomów-może być umieszczona w stanie, w którym wszystkie atomy są splątane kwantowo.

to nie są wyłącznie kocięta Schrödingera, powiedział Carsten Klempt z Leibniz University Hannover w Niemczech. Są one ogólnie definiowane jako superpozycje stanów, które są tak różne, jak to tylko możliwe: na przykład wszystkie ze spinem w górę i wszystkie ze spinem w dół (analogicznie do „żywych” i „martwych”). Tak nie jest w tych splątanych chmurach atomów. Niemniej jednak nadal wykazują zachowania kwantowe na stosunkowo dużą skalę.

jest jednak ważniejsze zastrzeżenie do idei, że są one „Kitten-scale” ucieleśnieniem splątania w stylu EPR. Wszystkie atomy są pomieszane w przestrzeni i są identyczne i nie do odróżnienia. Oznacza to, że nawet jeśli są splątane, nie można ich zobaczyć w kategoriach korelacji między właściwościami jednego obiektu tutaj i drugiego tam. „Kondensaty ultrazimnych atomów Bosego-Einsteina składają się z dużych zestawów nieodróżnialnych atomów, dosłownie równych w każdym fizycznym obserwowalnym”, powiedział Klempt. „Dlatego też nie można w nich zrealizować pierwotnej definicji splątania.”W rzeczywistości cała koncepcja splątania między nierozróżnialnymi cząstkami została teoretycznie zakwestionowana. „Dzieje się tak dlatego, że pojęcie splątania wymaga możliwości zdefiniowania podsystemów, które są ze sobą splątane”, powiedział Philipp Kunkel z Uniwersytetu w Heidelbergu w Niemczech.

znacznie wyraźniejszy rodzaj splątania, bezpośrednio analogiczny do splątania przestrzennie oddzielonych cząstek w eksperymencie myślowym EPR, został zademonstrowany w trzech oddzielnych eksperymentach zespołu Klempta w Hanowerze, grupy Kunkela (kierowanej przez Markusa Oberthalera) w Heidelbergu i zespołu kierowanego przez Philippa Treutleina na Uniwersytecie w Bazylei w Szwajcarii. „Konflikt z fizyką klasyczną jest szczególnie uderzający, gdy obserwuje się splątanie między takimi układami rozdzielonymi przestrzennie”, powiedział Treutlein. „Taką sytuację rozważa Gazeta EPR z 1935 roku.”

wszystkie trzy grupy używały chmur od setek do tysięcy atomów rubidu utrzymywanych w elektromagnetycznych polach wychwytywania (wytwarzanych przez mikroskopijne urządzenia na „chipie atomowym” lub generowanych przez skrzyżowane wiązki laserowe). Naukowcy wykorzystali lasery na podczerwień do wzbudzenia kwantowych przejść w spinach atomów i poszukiwali korelacji między wartościami spinu, które są oznaką splątania. Podczas gdy grupy Heidelberg i Bazylea zajmowały się dwoma różnymi regionami w jednej dużej chmurze, Grupa Klempta faktycznie podzieliła chmurę, wstawiając obszar pustej przestrzeni pośrodku.

grupy Bazylea i Heidelberga wykazały splątanie poprzez efekt zwany sterowaniem kwantowym, w którym pozorna współzależność dwóch splątanych regionów jest wykorzystywana tak, że pomiary wykonane na jednym z nich pozwalają badaczom przewidzieć pomiary drugiego. „Termin” sterowanie „został wprowadzony przez Schrödingera” – wyjaśnił Treutlein. „Odnosi się to do faktu, że w zależności od wyniku pomiaru w obszarze A, stan kwantowy, którego używamy do opisu systemu B, zmienia się.”Ale to nie oznacza, że istnieje chwilowy transfer informacji lub komunikacja między A I B.” Nie można sterować stanem odległego systemu deterministycznie, ponieważ wynik pomiaru jest nadal probabilistyczny”, powiedział Kunkel. „Nie ma wpływu sprawczego.”

te wyniki są „bardzo ekscytujące”, powiedział Jens Eisert z Wolnego Uniwersytetu w Berlinie, który nie był zaangażowany w prace. „Splątanie w oparach atomowych zostało wytworzone na długo przed, „powiedział,” ale to, co różni się tutaj, to poziomy adresowalności i kontroli w tych systemach.”

oprócz wyraźniejszego pokazania splątania, gdy istnieje między przestrzennie oddzielonymi regionami, istnieje również praktyczna zaleta robienia rzeczy w ten sposób: możesz adresować oddzielne regiony indywidualnie do przetwarzania informacji kwantowej. „Nie jest możliwe nawet w zasadzie adresowanie pojedynczych atomów w BEC bez wpływu na wszystkie inne atomy, jeśli wszystkie znajdują się w tym samym miejscu”, powiedział Treutlein. „Jeśli jednak możemy indywidualnie zająć się dwoma oddzielonymi przestrzennie obszarami, splątanie staje się dostępne dla zadań związanych z informacją kwantową, takich jak kwantowa teleportacja lub zamiana splątania.”To jednak będzie wymagało zwiększenia fizycznej separacji chmur poza to, co zostało zrobione w obecnych eksperymentach, dodał. Najlepiej, jak powiedział Klempt, podzielić chmurę na indywidualnie adresowalne Atomy.

„duże” obiekty kwantowe, takie jak te, mogą również umożliwić nam badanie nowej fizyki: aby dowiedzieć się, na przykład, co się dzieje, gdy grawitacja zaczyna mieć znaczący wpływ na zachowanie kwantowe. „Dzięki temu nowemu sposobowi kontrolowania i manipulowania dużymi Stanami splątanymi może być miejsce na wyrafinowane testy efektów kwantowych w teoriach grawitacyjnych”, powiedział Eisert. Zaproponowano na przykład, że efekty grawitacyjne mogą spowodować fizyczne załamanie się stanów kwantowych na klasyczne, ideę, która jest w zasadzie podatna na eksperymenty na superpozycjach lub stanach splątanych o dużych masach. Treutlein powiedział, że jednym ze sposobów testowania modeli załamania fizycznego jest interferencja między różnymi atomowymi „falami materii” – i, dodał, splątany BEC jego grupy może działać jako taki interferometr atomu. „Większość fizyków prawdopodobnie nie spodziewa się nagłego załamania fizyki kwantowej”, gdy rozmiar systemu wzrasta, powiedział Klempt. Kunkel dodał jednak, że ” jest to wciąż otwarte pytanie, eksperymentalnie i teoretycznie, czy istnieje fundamentalna granica wielkości obiektów, które mogą być ze sobą splątane.”

„najciekawsze pytanie brzmi, czy istnieje jakaś fundamentalna wielkość, w której nie można w jakimś sensie splątać” – powiedział Sillanpää. „Oznaczałoby to, że oprócz normalnej mechaniki kwantowej w obraz wchodzi coś innego, a może to być na przykład upadek z powodu grawitacji.”Jeśli grawitacja odgrywa rolę, może to dać wskazówki, jak rozwinąć teorię grawitacji kwantowej, która łączy obecnie niekompatybilne teorie mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności.

to byłby niezły zamach na kociaki Schrödingera. Na razie wzmacniają one ogólne przekonanie, że nie ma nic szczególnego w kwantowym zachowaniu, poza faktem, że obraca się w coraz bardziej splątaną kocią kołyskę, z której wyłania się nasza klasyczna sieć. I żaden kot nie musi być zabity w procesie.