Schr Auddingers kattungar har aldrig varit väldigt söta, och den senaste kullen är inget undantag. Bilder av nebulösa moln av ultrakolda atomer eller mikroskopiska remsor av kisel är osannolikt att bli virala på internet. Samma sak är dessa exotiska föremål värda att lyssna på, för de visar med oöverträffad klarhet att kvantmekanik inte bara är fysiken hos de extremt små.
”Schr Auddinger ’ s kattungar”, löst sett, är föremål som ligger halvvägs i storlek mellan atomskalan, vilken kvantmekanik ursprungligen utvecklades för att beskriva, och katten som Erwin Schr Auddinger berömt åberopade för att lyfta fram den uppenbara absurditeten i vad den teorin tycktes innebära. Dessa system är ”mesoskopiska” -kanske runt storleken på virus eller bakterier, som består av tusentals eller till och med miljarder atomer, och därmed mycket större än de typiska skalorna vid vilka kontraintuitiva kvantmekaniska egenskaper vanligtvis uppträder. De är utformade för att undersöka frågan: hur stor kan du få medan du fortfarande bevarar dessa kvantegenskaper?
för att bedöma efter de senaste resultaten är svaret: ganska darn stort. Två olika typer av experiment-båda utförs av flera grupper oberoende – har visat att ett stort antal atomer kan placeras i kollektiva kvanttillstånd, där vi inte definitivt kan säga att systemet har en uppsättning egenskaper eller en annan. I en uppsättning experiment innebar detta att ”trassla in” två regioner i ett moln av kalla atomer för att göra deras egenskaper beroende av varandra och korrelerade på ett sätt som verkar hänsynslös till deras rumsliga separation. I den andra manövrerades mikroskopiska vibrerande föremål till så kallade superpositioner av vibrationella tillstånd. Båda resultaten är löst analoga med det sätt som Schr Auddingers ökända katt, medan den var gömd i sin låda, sägs vara i en superposition av levande och döda stater.
frågan om hur kvantmekanikens regler blir till de uppenbarligen helt olika reglerna för klassisk mekanik — där objekt har väldefinierade egenskaper, positioner och vägar-har förbryllat forskare sedan kvantteorin först utvecklades i början av 20 — talet. Finns det någon grundläggande skillnad mellan stora klassiska objekt och små kvantföremål? Denna gåta av den så kallade kvant-klassiska övergången lyfts fram på ikoniskt sätt av Schr Auddingers tankeexperiment.
den stackars katten är ett mycket missförstått djur. Schr auddingers punkt var inte, som ofta underförstått, den uppenbara absurditeten hos kvantmekanik om den extrapolerades upp till vardagsskalan. Katten var en produkt av korrespondens mellan Schr Auddinger och Albert Einstein, efter att Einstein hade kritiserat tolkningen av kvantmekanik som förespråkades av den danska fysikern Niels Bohr och hans kollegor.
Bohr hävdade att kvantmekanik verkar tvinga oss att dra slutsatsen att egenskaperna hos kvantobjekt som elektroner inte har väldefinierade värden förrän vi mäter dem. För Einstein verkade det galet att någon del av verkligheten beror på vårt medvetna ingripande för att få det till stånd. Med två yngre kollegor, Boris Podolsky och Nathan Rosen, presenterade han ett tankeexperiment 1935 som tycktes göra den tolkningen omöjlig. De tre (vars arbete nu går under den kollektiva etiketten EPR) noterade att partiklar kan skapas i stater som måste korreleras med varandra, i den meningen att om en av dem har ett särskilt värde för någon egenskap, måste den andra ha något annat särskilt värde. När det gäller två elektroner, som har en egenskap som kallas spinn, kan en snurr peka ”upp” medan den andra elektronens spinnpunkter ”ner.”
i det fallet, enligt Einstein och hans kollegor, om Bohr har rätt och de faktiska riktningarna för snurren är obestämda tills du mäter dem, betyder korrelationen mellan de två snurren att mätning av en av dem omedelbart fixar orienteringen av den andra — oavsett hur långt partikeln är. Einstein kallade denna uppenbara anslutning ” spöklik handling på avstånd.”Men ett sådant fenomen borde vara omöjligt, eftersom Einsteins teori om speciell relativitet visar att inget inflytande kan sprida sig snabbare än ljus.
Schr Ozydinger kallade denna korrelation mellan partiklarna ”entanglement.”Experiment sedan 1970-talet har visat att det är ett verkligt kvantfenomen. Men det betyder inte att kvantpartiklar på något sätt kan påverka varandra direkt över rymden genom Einsteins spöklika handling. Det är bättre att säga att en enda partikels kvantegenskaper inte nödvändigtvis bestäms på en fast plats i rymden, men kan vara ”icke-lokal”: helt specificerad endast i förhållande till en annan partikel någon annanstans, på ett sätt som verkar undergräva vår intuitiva uppfattning om utrymme och avstånd.
Schr Auddingers katt uppstod ur hans funderingar om särdragen i EPR-entanglement. Schr auddinger ville visa hur Bohrs uppfattning att ingenting är fixat förrän det mäts kan leda till logisk absurditet om vi föreställde oss att blåsa entanglement upp till vardagens storlek. Hans tankeexperiment placerar den olyckliga katten i en sluten låda med en flaska med dödligt gift, som kan brytas upp av någon mekanism som länkar den till — i själva verket förvirrar den med — en kvantpartikel eller händelse. Utlösaren kan komma från en elektron, bryta flaskan om den har uppåt spinn men inte om den har nedåt spinn. Du kan sedan förbereda elektronen i en så kallad superposition av tillstånd, där både uppåtgående spinn och nedåtgående spinn är möjliga resultat av en mätning. Men om snurret är obestämt före mätningen, så måste det vara kattens status-det finns inget sätt du kan meningsfullt säga om det är levande eller dött. Och det är säkert meningslöst.
Schr Acredingers poäng var inte bara att kvantregler leder till uppenbar nonsens när de tillämpas på vardagsskalan — du behöver inte en katt för det. Snarare ville han hitta en extrem demonstration av hur uppskjutning av någon tilldelning av ett bestämt tillstånd (levande eller död) tills mätning har gjorts (genom att öppna lådan för att se) kan leda till konsekvenser som inte bara verkar udda men logiskt förbjudna.
till Bohr skulle detta ha verkat som ett ogiltigt scenario — mätning, som att öppna lådan och titta på katten, var för honom alltid en makroskopisk och därför en klassisk process, så kvantregler skulle inte längre gälla. Men hur säkerställer mätningen den magiska omvandlingen från Kvant till klassisk?
istället för att argumentera om det, varför inte bara göra experimentet? Problemet är, medan det var allt väldigt bra för Schr Auddinger att föreställa sig att göra en katt ”quantum” genom att koppla den till någon atomskala händelse, är det inte alls klart hur-eller faktiskt om — vi kan göra det uppskalning i praktiken, eller faktiskt vad en superposition av levande och döda kan betyda när det gäller kvanttillstånd.
men med moderna tekniker kan vi föreställa oss att skapa väldefinierade kvantöverlagringar av relativt stora föremål-inte lika stora som katter, men mycket större än ensamma atomer — och undersöka deras egenskaper. Det här är vad ansträngningar för att skapa Schr Auddingers kattungar handlar om.
”många fysiker förväntar sig inte riktigt några överraskningar i stora skalor”, säger Simon gr Jacobblacher från Delft University of Technology i Nederländerna. ”Men det är helt enkelt inte känt vad som händer om du börjar göra kvanttillstånd med cirka 1023 atomer”, vilket är den typiska skalan för vardagliga föremål.
de nya experimenten visar att, trots vad Schr Auddinger trodde, kan relativt stora objekt verkligen uppvisa kontraintuitivt kvantbeteende.
gr Jacoblacher och hans kollegor skapade mikrostrålar av kisel, vardera 10 mikrometer långa och 1 med 0,25 mikrometer i tvärsnitt. Var och en innehöll hål längs strålarna som skulle absorbera och fälla infrarött laserljus. Forskarna upphetsade sedan dessa strålar med ljus som skickades i en superposition av vägar, en till varje stråle. Genom att göra det kunde de trassla in två strålar i ett enda kvantvibrationellt tillstånd. Du kan tänka på det som den mycket lilla motsvarigheten till två intrasslade katter.
en annan typ av trassel mellan mekaniska oscillatorer rapporterades, i back-to-back papper med gr Jacoblacher team i naturen, av Mika Sillanp Uzbe från Aalto-universitetet i Finland och kollegor. De kopplade två mikroskopiska trumhuvudliknande metallplåtar via en superledande tråd. Tråden kan innehålla en elektrisk ström som oscillerar vid mikrovågsfrekvenser (cirka 5 miljarder vibrationer per sekund); dess elektromagnetiska fält utövar ett tryck på de vibrerande plattorna. ”De elektromagnetiska fälten fungerar som ett slags medium som tvingar de två drumheadsna in i det intrasslade kvanttillståndet,” sa Sillanp Michai.
forskare har länge försökt uppnå kvanteffekter som superposition och intrassling i ”stora” mikromekaniska oscillatorer som dessa, som har miljarder atomer i dem. ”Intrasslade tillstånd av mekaniska oscillatorer har diskuterats teoretiskt sedan slutet av 1970-talet, men bara under de senaste åren har det varit tekniskt möjligt att skapa sådana tillstånd”, sa Sillanp.
vad som gör dessa experiment till en sådan tour de force är att de undviker processen som i allmänhet omvandlar stora objekt från de som styrs av kvantregler till de som lyder klassisk fysik. Denna process verkar ge den saknade delen (åtminstone det mesta) av mätpusslet, vilket Bohr lämnade så galet vagt.
det kallas dekoherens-och ganska snyggt handlar det om entanglement. Enligt kvantmekanik är entanglement ett oundvikligt resultat av varje interaktion mellan två kvantobjekt. Så om ett objekt — en katt, säg — börjar i en superposition av stater, den superpositionen — den kvantiteten, kan man säga — sprider sig när objektet interagerar med sin miljö och blir alltmer intrasslad med det. Men om du faktiskt vill observera superpositionen måste du härleda kvantbeteendet hos alla intrasslade partiklar. Detta blir snabbt omöjligt, på ungefär samma sätt som det blir omöjligt att spåra alla atomer i en bläckbit när den sprids i en pool. På grund av interaktion med miljön läcker den ursprungliga partikelns kvantkaraktär bort och sprids. Det är dekoherens.Kvantteoretiker har visat att dekoherens ger upphov till den typ av beteende som ses i klassisk fysik. Och experimentalister har bevisat det i experiment som kan styra graden av dekoherens, där de karakteristiska kvanteffekterna såsom vågliknande störningar av partiklar gradvis försvinner när dekoherens fortskrider.
dekoherens är då central för den nuvarande förståelsen av den kvantklassiska övergången. Ett objekts förmåga att visa kvantbeteende, såsom störningar, superposition och intrasslingsinducerade korrelationer, har inget att göra med hur stort det är. Istället beror det på hur intrasslad det är med sin miljö.
ändå spelar storlek i allmänhet en roll, eftersom ju större ett objekt är, desto lättare kan det bli intrasslat med sin miljö och decohere. Ett stort, varmt, rastlöst föremål som en katt har inget hopp om att förbli i en kvantmekanisk superposition av något slag och kommer att dekohere mer eller mindre direkt.
Om du helt enkelt håller en katt i en låda och kopplar sitt öde till resultatet av någon kvanthändelse, är det inte troligt att du lägger den i en superposition av levande och död, eftersom dekoherens nästan omedelbart tvingar den till ett tillstånd eller det andra. Om du kunde undertrycka dekoherens genom att ta bort all interaktion med miljön (utan att döda katten i ett ultrakallt vakuum!)- Tja, då är det en annan historia och argumenten kvarstår. Det är nästan omöjligt att föreställa sig hur man uppnår det för en katt. Men det är i huvudsak vad lagen från gr Jacobblacher och Sillanp har uppnått med sina små oscillatorer.
istället för att arbeta mot den kvantklassiska gränsen uppifrån och ner, se om vi kan trolla quantumness till ett vibrerande objekt när det är tillräckligt litet, kan vi komma på det från botten upp. Eftersom vi vet att kvanteffekter som superposition och interferens lätt ses i enskilda atomer och till och med små molekyler, kanske vi undrar hur långt dessa effekter kan upprätthållas när vi fortsätter att lägga till fler atomer. Tre lag har nu undersökt denna fråga och uppnått kvanttillstånd för moln på upp till tiotusentals ultrakolda atomer genom att trassla in dem i ett tillstånd som kallas Bose-Einstein kondensat (BEC).Einstein och den indiska fysikern Satyendra Nath Bose påpekade att ett sådant tillstånd kan existera bland bosoner (uppkallad efter Bose), en av de två allmänna klasserna av grundläggande partiklar. I en BEC är alla partiklar i samma enda kvanttillstånd, vilket i själva verket betyder att de agerar snarare som ett stort kvantobjekt. Eftersom det är en kvanteffekt sker Bose-Einstein-kondensation endast vid mycket låga temperaturer, och en BEC sågs bara i sin renaste form — ett moln av bosoniska partiklar — 1995, i atomer av rubidium kyldes till bara några miljarder av en grad över absolut noll.
BECs gjorda av sådana ultrakolda atomer har gett fysiker ett nytt medium för att undersöka kvantfenomen. Tidigare har forskare visat att ett sådant moln — kanske flera tusen atomer — kan placeras i ett tillstånd där alla atomer är kvantförvirrade tillsammans.
det här är inte strikt Schr Auddingers kattungar, säger Carsten Klempt från Leibniz University Hannover i Tyskland. De definieras generellt som superpositioner av stater som är så olika som kan vara: till exempel alla med uppåtgående spinn och alla med nedåtgående spinn (analogt med ”levande” och ”död”). Det är inte fallet i dessa intrasslade moln av atomer. Ändå visar de fortfarande kvantbeteende i relativt stor skala.
det finns dock ett viktigare villkor för tanken att de är ”kattunge-skala” utföranden av EPR-stil entanglement. Atomerna är alla sammanfogade i rymden och är identiska och oskiljbara. Det betyder att även om de är intrasslade kan du inte se det när det gäller en korrelation mellan egenskapen för ett objekt här och ett annat där. ”Bose-Einstein kondensat av ultrakolda atomer består av stora ensembler av oskiljbara atomer, bokstavligen lika i alla fysiska observerbara,” sade Klempt. ”Därför kan den ursprungliga definitionen av entanglement inte realiseras i dem.”Faktum är att hela begreppet intrassling mellan oskiljbara partiklar har teoretiskt ifrågasatts. ”Det beror på att begreppet intrassling kräver möjligheten att definiera de delsystem som är intrasslade med varandra”, säger Philipp Kunkel från Heidelberg University i Tyskland.
en mycket tydligare typ av entanglement, direkt analog med entanglement av de rumsligt separerade partiklarna i EPR-tankeexperimentet, har nu visats i tre separata experiment av Klempts team i Hannover, Kunkels grupp (ledd av Markus Oberthaler) i Heidelberg och ett team ledt av Philipp Treutlein vid universitetet i Basel i Schweiz. ”Konflikten med klassisk fysik är särskilt slående när intrasslingen observeras mellan sådana rumsligt separerade system,” sade Treutlein. ”Detta är den situation som EPR-dokumentet från 1935 anser.”
alla tre grupperna använde moln av hundratals till tusentals rubidiumatomer som hölls i elektromagnetiska fångstfält (antingen producerade av mikroskopiska enheter på ett ”atomchip” eller genererade av korsade laserstrålar). Forskarna använde infraröda lasrar för att excitera kvantövergångar i atomernas spinn och letade efter korrelationerna mellan spinnvärden som är det tydliga tecknet på entanglement. Medan Heidelberg och Basel-grupperna adresserade två olika regioner i ett enda stort moln, delade Klempts grupp faktiskt molnet genom att infoga en region med tomt utrymme i mitten.Basel-och Heidelberg-grupperna visade entanglement via en effekt som kallas kvantstyrning, där det uppenbara ömsesidiga beroendet mellan de två intrasslade regionerna utnyttjas så att mätningar gjorda på en av dem tillåter forskare att förutsäga mätningarna av den andra. ”Termen” styrning ”introducerades av Schr Auddinger,” förklarade Treutlein. ”Det hänvisar till det faktum att, beroende på mätresultatet i region a, ändras kvanttillståndet vi använder för att beskriva system B.”Men detta innebär inte att det finns någon omedelbar informationsöverföring eller kommunikation mellan A och B. ”man kan inte styra tillståndet för det avlägsna systemet deterministiskt, eftersom resultatet av mätningen fortfarande är probabilistiskt, säger Kunkel. ”Det finns inget orsakande inflytande.”
dessa resultat är” väldigt spännande”, säger Jens Eisert från Free University of Berlin, som inte var inblandad i arbetet. ”Entanglement i atomångor har genererats långt innan,” sa han, ”men det som är annorlunda här är nivåerna av adressbarhet och kontroll i dessa system.”
bortsett från den tydligare demonstrationen av entanglement när det finns mellan rumsligt separerade regioner, finns det också en praktisk fördel att göra saker på detta sätt: du kan adressera de separata regionerna individuellt för kvantinformationsbehandling. ”Det är inte ens möjligt att i princip ta itu med enskilda atomer i BEC utan att påverka alla andra atomer, om de alla är på samma plats,” sade Treutlein. ”Men om vi individuellt kan ta itu med de två rumsligt separerade regionerna blir intrasslingen tillgänglig för kvantinformationsuppgifter som kvantteleportation eller intrasslingsbyte.”Det kommer emellertid att kräva att den fysiska separationen av molnen ökas utöver vad som gjordes i de nuvarande experimenten, tillade han. Helst, sade Klempt, skulle du dela molnet vidare i individuellt adresserbara atomer.
”stora” kvantobjekt som dessa kan också göra det möjligt för oss att undersöka ny fysik: för att ta reda på till exempel vad som händer när tyngdkraften börjar bli ett betydande inflytande på kvantbeteende. ”Med detta nya sätt att kontrollera och manipulera stora intrasslade tillstånd kan det finnas utrymme för sofistikerade tester av kvanteffekter i gravitationsteorier,” sade Eisert. Det har till exempel föreslagits att gravitationseffekter kan inducera en fysisk kollaps av kvanttillstånd till klassiska, en ide som i princip är mottaglig för experiment på superpositioner eller intrasslade tillstånd av stora massor. Treutlein sa att ett sätt att testa fysiska kollapsmodeller innebär störningar mellan distinkta atomiska ”materievågor”-och, tillade han, hans grupps splittrade, intrasslade BEC kan fungera som en sådan atominterferometer. ”De flesta fysiker kommer förmodligen inte att förvänta sig en plötslig uppdelning av kvantfysik” när systemstorleken ökar, sade Klempt. Men Kunkel tillade att ” det är fortfarande en öppen fråga, experimentellt och teoretiskt, om det finns en grundläggande gräns för storleken på objekten som kan trassla in sig med varandra.”
”den mest intressanta frågan är om det finns någon grundläggande storlek där man inte på något sätt kan göra entanglement”, sa Sillanp. ”Det skulle innebära att något annat förutom normal kvantmekanik kommer in i bilden, och detta kan till exempel kollapsa på grund av tyngdkraften.”Om tyngdkraften spelar en roll, kan det ge några tips för hur man utvecklar en teori om kvantgravitation som förenar de för närvarande oförenliga teorierna om kvantmekanik och allmän relativitet.
det skulle vara ganska en kupp för Schr Auddingers kattungar. För närvarande förstärker de den allmänna tron att det inte finns något speciellt med kvantbeteende, utöver det faktum att det snurrar sig in i en allt mer trassig kattvagga från vilken vår klassiska webb framträder. Och ingen katt behöver dödas i processen.