pisoii Schr X-Dinger nu au fost niciodată foarte drăguți, iar cea mai recentă așternut nu face excepție. Imaginile cu nori nebuloase de atomi ultracold sau benzi microscopice de siliciu sunt puțin probabil să devină virale pe internet. Totuși, aceste obiecte exotice merită luate în considerare, deoarece arată cu o claritate fără precedent că mecanica cuantică nu este doar fizica extrem de mică.

„pisoii lui Schr Xvdinger”, vag vorbind, sunt obiecte înclinate la jumătatea dimensiunii dintre scara atomică, pe care mecanica cuantică a fost inițial dezvoltată pentru a o descrie, și pisica pe care Erwin Schr Xvdinger a invocat-o faimos pentru a evidenția absurditatea aparentă a ceea ce părea să implice acea teorie. Aceste sisteme sunt „mezoscopice” -probabil în jurul dimensiunii virușilor sau bacteriilor, compuse din multe mii sau chiar miliarde de atomi și, prin urmare, mult mai mari decât scalele tipice la care apar de obicei proprietățile mecanice cuantice contraintuitive. Acestea sunt concepute pentru a sonda întrebarea: Cât de mare puteți obține în timp ce păstrați în continuare acele proprietăți cuantice?

pentru a judeca după cele mai recente rezultate, răspunsul este: destul de mare. Două tipuri distincte de experimente — ambele efectuate de mai multe grupuri în mod independent — au arătat că un număr mare de atomi pot fi plasați în stări cuantice colective, unde nu putem spune cu siguranță că sistemul are un set de proprietăți sau altul. Într-un set de experimente, acest lucru a însemnat „încurcarea” a două regiuni ale unui nor de atomi reci pentru a face proprietățile lor interdependente și corelate într-un mod care pare nepăsător de separarea lor spațială. În cealaltă, obiectele vibratoare microscopice au fost manevrate în așa-numitele superpoziții ale stărilor vibraționale. Ambele rezultate sunt vag analoage cu modul în care pisica infamă a lui Schr Xvdinger, în timp ce era ascunsă în cutia sa, se spunea că se află într-o suprapunere de stări vii și moarte.

întrebarea modului în care Regulile mecanicii cuantice se transformă în regulile aparent destul de diferite ale mecanicii clasice — unde obiectele au proprietăți, poziții și căi bine definite-i — a nedumerit pe oamenii de știință încă de când teoria cuantică a fost dezvoltată pentru prima dată la începutul secolului 20. Există vreo diferență fundamentală între obiectele clasice mari și cele cuantice mici? Această enigmă a așa-numitei tranziții cuantice-clasice a fost evidențiată într-un mod iconic de experimentul de gândire al lui Schr.

sărmana pisică este o bestie mult neînțeleasă. Punctul de vedere al lui Schr xvdinger nu a fost, așa cum se presupune adesea, absurditatea aparentă a mecanicii cuantice dacă a fost extrapolată până la scara de zi cu zi. Pisica a fost produsul corespondenței dintre Schr și Albert Einstein, după ce Einstein a criticat interpretarea mecanicii cuantice susținută de fizicianul danez Niels Bohr și colegii săi.Bohr a susținut că mecanica cuantică pare să ne forțeze să concluzionăm că proprietățile obiectelor cuantice, cum ar fi electronii, nu au valori bine definite până când nu le măsurăm. Pentru Einstein, părea o nebunie că un element al realității depinde de intervenția noastră conștientă pentru ao aduce în ființă. Împreună cu doi colegi mai tineri, Boris Podolsky și Nathan Rosen, el a prezentat un experiment de gândire în 1935 care părea să facă imposibilă această interpretare. Cei trei (a căror lucrare trece acum prin eticheta colectivă EPR) au remarcat că particulele pot fi create în stări care trebuie corelate între ele, în sensul că, dacă una dintre ele are o valoare particulară pentru o anumită proprietate, cealaltă trebuie să aibă o altă valoare particulară. În cazul a doi electroni, care au o proprietate numită rotire, o rotire ar putea indica „în sus”, în timp ce rotirea celuilalt electron indică „în jos.”

în acest caz, Potrivit lui Einstein și colegilor săi, dacă Bohr are dreptate și direcțiile reale ale rotirilor sunt nedeterminate până când le măsurați, atunci corelația celor două rotiri înseamnă că măsurarea unuia dintre ele fixează instantaneu orientarea celuilalt — indiferent cât de departe este particula. Einstein a numit această conexiune aparentă ” acțiune înfricoșătoare la distanță.”Dar un astfel de fenomen ar trebui să fie imposibil, deoarece teoria relativității speciale a lui Einstein arată că nici o influență nu se poate propaga mai repede decât lumina.

Schr Xvdinger a numit această corelație între particule „entanglement.”Experimentele din anii 1970 au arătat că este un adevărat fenomen cuantic. Dar acest lucru nu înseamnă că particulele cuantice se pot influența într-un fel instantaneu prin spațiu prin acțiunea înfricoșătoare a lui Einstein. Este mai bine să spunem că proprietățile cuantice ale unei singure particule nu sunt neapărat determinate într-un loc fix din spațiu, ci pot fi „nelocale”: specificate pe deplin numai în raport cu o altă particulă în altă parte, într-un mod care pare să submineze noțiunea noastră intuitivă de spațiu și distanță.

pisica lui Schr Xvdinger a apărut din meditațiile sale asupra particularităților entanglementării EPR. Schr xvdinger a vrut să arate cum noțiunea lui Bohr că nimic nu este fixat până când nu este măsurat ar putea duce la absurditate logică dacă ne-am imagina suflarea încurcării până la dimensiunea de zi cu zi. Experimentul său de gândire plasează pisica nefericită într — o cutie închisă cu o fiolă de otravă letală, care poate fi spartă de un mecanism care o leagă — de fapt, o încurcă cu-o particulă sau eveniment cuantic. Declanșatorul ar putea proveni de la un electron, rupând flaconul dacă are rotire în sus, dar nu dacă are rotire în jos. Puteți pregăti apoi electronul într-o așa-numită suprapunere de stări, în care atât spinul ascendent, cât și spinul descendent sunt posibile rezultate ale unei măsurători. Dar dacă spinul este nedeterminat înainte de măsurare, atunci trebuie să fie și statutul pisicii — nu există nicio modalitate de a spune în mod semnificativ dacă este viu sau mort. Și asta este cu siguranță lipsit de sens.

ideea Schr nu a fost doar că regulile cuantice duc la prostii aparente atunci când sunt aplicate la scara de zi cu zi — nu ai nevoie de o pisică pentru asta. Mai degrabă, el a vrut să găsească o demonstrație extremă a modului în care amânarea oricărei atribuiri a unei stări definite (viu sau mort) până când măsurarea a fost făcută (prin deschiderea cutiei pentru a privi) ar putea duce la implicații care par nu numai ciudate, ci interzise logic.

pentru Bohr acest lucru ar fi părut un scenariu nevalid — măsurarea, cum ar fi deschiderea cutiei și privirea pisicii, a fost pentru el întotdeauna un proces macroscopic și, prin urmare, un proces clasic, astfel încât regulile cuantice nu s-ar mai aplica. Dar atunci cum asigură măsurarea acea transformare magică de la cuantic la clasic?

în loc să ne certăm despre asta, de ce să nu facem experimentul? Problema este că, în timp ce a fost foarte bine pentru Schr Aktivdinger să-și imagineze făcând o pisică „cuantică” cuplând — o la un eveniment la scară atomică, nu este deloc clar cum — sau într-adevăr dacă-putem face asta în practică, sau într-adevăr ce ar putea însemna o suprapunere a vieții și a morților în termeni de stări cuantice.dar cu tehnici moderne, ne putem imagina crearea unor superpoziții cuantice bine definite ale unor obiecte relativ mari-nu la fel de mari ca pisicile, dar mult mai mari decât atomii singuri — și sondarea proprietăților lor. Aceasta este ceea ce eforturile de a crea pisoii Schr Xvdinger sunt toate despre.

„mulți fizicieni nu se așteaptă la surprize la scară largă”, a declarat Simon gr Oqublacher de la Universitatea de tehnologie Delft din Olanda. „Dar pur și simplu nu se știe ce se va întâmpla dacă începeți să creați stări cuantice cu aproximativ 1023 de atomi”, care este scara tipică a obiectelor de zi cu zi.

noile experimente arată că, în ciuda a ceea ce a crezut Schr Xvdinger, obiectele relativ mari pot prezenta într-adevăr un comportament cuantic contraintuitiv.

gr Oktobblacher și colegii săi au creat micrograme de siliciu, fiecare având o lungime de 10 micrometri și o secțiune transversală de 1 x 0,25 micrometri. Fiecare avea găuri de-a lungul grinzilor care absorbeau și captau lumina laser în infraroșu. Cercetătorii au excitat apoi acele fascicule cu lumină trimisă într-o suprapunere de căi, una către fiecare fascicul. Procedând astfel, au reușit să încurce două fascicule într-o singură stare vibrațională cuantică. Te-ai putea gândi la ea ca la echivalentul foarte mic al a două pisici încurcate.

Un alt tip de entanglementare între oscilatoarele mecanice a fost raportat, în documentele back-to-back cu echipa gr Ouxblacher în natură, de Mika Sillanp OUX de la Universitatea Aalto din Finlanda și colegii săi. Au cuplat două foi de metal microscopice asemănătoare capului de tambur printr-un fir supraconductor. Firul poate conține un curent electric oscilant la frecvențe cu microunde (aproximativ 5 miliarde de vibrații pe secundă); câmpul său electromagnetic exercită o presiune asupra plăcilor vibratoare. „Câmpurile electromagnetice acționează ca un fel de mediu care forțează cele două capete de tobe în starea cuantică încurcată”, a spus Sillanp.

cercetătorii au căutat mult timp să obțină efecte cuantice, cum ar fi suprapunerea și încurcarea în oscilatoare micromecanice „mari” ca acestea, care au miliarde de atomi în ele. „Stările încâlcite ale oscilatoarelor mecanice au fost discutate teoretic de la sfârșitul anilor 1970, dar numai în ultimii ani a fost posibil din punct de vedere tehnic să se creeze astfel de stări”, a spus Sillanp.

ceea ce face ca aceste experimente să fie un astfel de tur de forță este că evită procesul care transformă în general obiecte mari din cele guvernate de reguli cuantice în cele care se supun fizicii clasice. Acest proces pare să ofere partea lipsă (cel puțin, cea mai mare parte) a puzzle-ului de măsurare, pe care Bohr l-a lăsat atât de vag.

se numește decoerență — și, mai degrabă îngrijit, este vorba despre încurcătură. Conform mecanicii cuantice, entanglementul este un rezultat inevitabil al oricărei interacțiuni între două obiecte cuantice. Deci, dacă un obiect — o pisică, să zicem-începe într — o suprapunere de stări, acea suprapunere — acea cuantumitate, ați putea spune-se răspândește pe măsură ce obiectul interacționează cu mediul său și devine din ce în ce mai încurcat cu el. Dar dacă doriți să observați suprapunerea, va trebui să deduceți comportamentul cuantic al tuturor particulelor încurcate. Acest lucru devine rapid imposibil, în același mod în care devine imposibil să se urmărească toți atomii într-o pată de cerneală pe măsură ce se dispersează într-o piscină. Din cauza interacțiunii cu mediul, natura cuantică a particulei originale se scurge și este dispersată. Asta e decoerență.

teoreticienii cuantici au arătat că decoerența dă naștere tipului de comportament văzut în fizica clasică. Și experimentaliștii au dovedit-o în experimente care pot controla rata decoerenței, unde efectele cuantice caracteristice, cum ar fi interferența undelor particulelor, dispar treptat pe măsură ce decoerența continuă.

Decoerența, atunci, este esențială pentru înțelegerea actuală a tranziției cuantice-clasice. Capacitatea unui obiect de a arăta un comportament cuantic, cum ar fi interferența, suprapunerea și corelațiile induse de entanglement, nu are nicio legătură cu cât de mare este. În schimb, depinde de cât de încurcat este cu mediul său.

cu toate acestea, dimensiunea joacă în general un rol, deoarece cu cât un obiect este mai mare, cu atât mai ușor se poate încurca cu mediul său și decohere. Un obiect mare, cald, neliniștit ca o pisică nu are speranța de a rămâne într-o suprapunere cuantic-mecanică de orice fel și se va decohere mai mult sau mai puțin instantaneu.

dacă pur și simplu lipiți o pisică într-o cutie și îi legați soarta de rezultatul unui eveniment cuantic, nu este probabil să o puneți într-o suprapunere de vii și morți, deoarece decoerența o va forța aproape instantaneu într-o stare sau alta. Dacă ați putea suprima decoerența prin eliminarea tuturor interacțiunilor cu mediul (fără a ucide pisica într-un vid ultracold!)- Ei bine, atunci este o altă poveste și argumentele persistă. Este aproape imposibil să-ți imaginezi cum să realizezi asta pentru o pisică. Dar asta este, în esență, ceea ce au realizat echipele gr Oktablacher și Sillanp Okt7 cu micile lor oscilatoare.

în loc să lucrăm spre limita cuantico-clasică de sus în jos, văzând dacă putem conjura cantitatea într-un obiect vibrant când este suficient de mic, putem ajunge la el de jos în sus. Din moment ce știm că efectele cuantice, cum ar fi suprapunerea și interferența, sunt ușor de văzut în atomii individuali și chiar în moleculele mici, ne-am putea întreba cât de departe pot fi susținute aceste efecte pe măsură ce continuăm să adăugăm mai mulți atomi. Trei echipe au explorat acum această întrebare, realizând stări cuantice pentru nori de până la zeci de mii de atomi ultracold prin încurcarea lor într-o stare numită condens Bose-Einstein (BEC).Einstein și fizicianul Indian Satyendra Nath Bose au subliniat că o astfel de stare poate exista printre bosoni (numiți pentru Bose), una dintre cele două clase generale de particule fundamentale. Într-un BEC, toate particulele sunt în aceeași stare cuantică unică, ceea ce înseamnă că acționează mai degrabă ca un obiect cuantic mare. Deoarece este un efect cuantic, condensarea Bose-Einstein se întâmplă doar la temperaturi foarte scăzute, iar un BEC a fost văzut doar în forma sa cea mai pură — un nor de particule bosonice — în 1995, în atomi de rubidiu răcit la doar câteva miliarde de grade peste zero absolut.bec-urile fabricate din astfel de atomi ultracold au dat Fizicienilor un nou mediu pentru investigarea fenomenelor cuantice. În trecut, cercetătorii au arătat că un astfel de nor — poate câteva mii de atomi — poate fi plasat într-o stare în care toți atomii sunt încurcați cuantic.

acestea nu sunt doar pisoii lui Schr, a declarat Carsten Klempt de la Universitatea Leibniz din Hanovra, Germania. Acestea sunt în general definite ca suprapuneri de stări care sunt cât se poate de diferite: de exemplu, toate cu rotire în sus și toate cu rotire în jos (analog cu „viu” și „mort”). Nu este cazul în acești nori încurcați de atomi. Cu toate acestea, ele arată încă un comportament cuantic la o scară relativ imensă.

există o condiție mai importantă, totuși, la ideea că acestea sunt întruchipări „la scară de pisoi” ale încurcării în stil EPR. Atomii sunt toate amestecate împreună în spațiu și sunt identice și imposibil de distins. Aceasta înseamnă că, chiar dacă sunt încurcate, nu o puteți vedea în termeni de corelație între proprietatea unui obiect aici și altul acolo. „Condensatele Bose-Einstein ale atomilor ultracold constau din ansambluri mari de atomi nedistinguibili, literalmente egali în orice fizic observabil”, a spus Klempt. „Prin urmare, definiția inițială a încurcării nu poate fi realizată în ele.”De fapt, întregul concept de încurcătură între particule nedistinguibile a fost teoretic contestat. „Acest lucru se datorează faptului că noțiunea de entanglement necesită posibilitatea de a defini subsistemele care sunt încurcate între ele”, a spus Philipp Kunkel de la Universitatea Heidelberg din Germania.

un fel mult mai clar de încurcătură, direct analog cu încurcarea particulelor separate spațial în experimentul de gândire EPR, a fost demonstrat acum în trei experimente separate de echipa lui Klempt din Hanovra, grupul lui Kunkel (condus de Markus Oberthaler) din Heidelberg și o echipă condusă de Philipp Treutlein de la Universitatea din Basel din Elveția. „Conflictul cu fizica clasică este deosebit de frapant atunci când se observă încurcarea între astfel de sisteme separate spațial”, a spus Treutlein. „Aceasta este situația pe care o consideră documentul EPR din 1935.”

toate cele trei grupuri au folosit nori de sute până la mii de atomi de rubidiu ținuți în câmpuri electromagnetice de captare (fie produse de dispozitive microscopice pe un” cip Atomic”, fie generate de fascicule laser încrucișate). Cercetătorii au folosit lasere cu infraroșu pentru a excita tranzițiile cuantice în rotirile atomilor și au căutat corelațiile dintre valorile de spin care sunt semnul indicator al entanglementării. În timp ce grupurile Heidelberg și Basel au abordat două regiuni diferite într-un singur nor mare, grupul lui Klempt a împărțit de fapt norul introducând o regiune de spațiu gol în mijloc.

grupurile Basel și Heidelberg au demonstrat încurcarea printr-un efect numit direcție cuantică, în care interdependența aparentă a celor două regiuni încurcate este exploatată astfel încât măsurătorile efectuate pe una dintre ele să permită cercetătorilor să prezică măsurătorile celeilalte. „Termenul de „direcție” a fost introdus de Schr Xvdinger”, a explicat Treutlein. „Se referă la faptul că, în funcție de rezultatul măsurării în regiunea A, starea cuantică pe care o folosim pentru a descrie sistemul B se schimbă.”Dar acest lucru nu implică faptul că există vreun transfer instantaneu de informații sau comunicare între A și B. „nu se poate conduce starea sistemului îndepărtat determinist, deoarece rezultatul măsurării este încă probabilistic”, a spus Kunkel. „Nu există nicio influență cauzală.”

aceste rezultate sunt „foarte interesante”, a declarat Jens Eisert de la Universitatea Liberă din Berlin, care nu a fost implicat în lucrare. „Încurcarea în vaporii atomici a fost generată cu mult înainte”, a spus el, „dar ceea ce este diferit aici sunt nivelurile de adresabilitate și control în aceste sisteme.”în afară de demonstrația mai clară a entanglementării atunci când există între regiuni separate spațial, există și un avantaj practic pentru a face lucrurile în acest fel: puteți aborda regiunile separate individual pentru procesarea cuantică a informațiilor. „Nu este posibil chiar și în principiu să abordăm atomii individuali din BEC fără a afecta toți ceilalți atomi, dacă sunt toți în aceeași locație”, a spus Treutlein. „Cu toate acestea, dacă putem aborda individual cele două regiuni separate spațial, încurcarea devine disponibilă pentru sarcini de informații cuantice, cum ar fi teleportarea cuantică sau schimbarea încurcării.”Totuși, acest lucru va necesita ca separarea fizică a norilor să fie sporită dincolo de ceea ce s-a făcut în experimentele actuale, a adăugat el. În mod ideal, a spus Klempt, ați împărți norul în continuare în atomi adresabili individual.

obiecte cuantice”mari” ca acestea ar putea, de asemenea, să ne permită să sondăm noi fizici: pentru a afla, de exemplu, ce se întâmplă atunci când gravitația începe să devină o influență semnificativă asupra comportamentului cuantic. „Cu acest nou mod de a controla și manipula stări mari încurcate, ar putea exista loc pentru teste sofisticate ale efectelor cuantice în teoriile gravitaționale”, a spus Eisert. S-a propus, de exemplu, că efectele gravitaționale ar putea induce un colaps fizic al stărilor cuantice în cele clasice, o idee care este, în principiu, susceptibilă de a experimenta suprapuneri sau stări încurcate ale maselor mari. Treutlein a spus că o modalitate de a testa modelele de colaps fizic implică interferența între „undele de materie” atomice distincte-și, a adăugat el, BEC — ul divizat și încurcat al grupului său poate acționa ca un astfel de interferometru Atomic. „Majoritatea fizicienilor nu se vor aștepta probabil la o defalcare bruscă a fizicii cuantice” pe măsură ce dimensiunea sistemului crește, a spus Klempt. Dar Kunkel a adăugat că „este încă o întrebare deschisă, experimental și teoretic, dacă există o limită fundamentală a dimensiunii obiectelor care pot fi încurcate între ele.”

” cea mai interesantă întrebare este dacă există o dimensiune fundamentală în care nu se poate într-un anumit sens să se încurce”, a spus Sillanp. „Asta ar însemna că altceva în plus față de mecanica cuantică normală intră în imagine, iar acest lucru ar putea fi, de exemplu, colaps din cauza gravitației.”Dacă gravitația joacă un rol, acest lucru ar putea oferi câteva indicii pentru a dezvolta o teorie a gravitației cuantice care unește teoriile incompatibile în prezent ale mecanicii cuantice și ale relativității generale.

asta ar fi o lovitură de stat pentru pisoii lui Schr. Deocamdată, ele întăresc convingerea generală că nu există nimic special în comportamentul cuantic, dincolo de faptul că se învârte într-un leagăn de pisică din ce în ce mai încurcat, din care apare pânza noastră clasică. Și nici o pisică nu trebuie ucisă în acest proces.