Egy lézerimpulzus visszaszorította a rubídium atomot, és belépett a kvantum világba - átvállalva a "Schrödinger macska" furcsa fizikáját. Aztán egy másik ugyanezt tette. Aztán még egy.
A lézerimpulzusok nem növelték a bajuszt vagy a mancsot. De fontos módon váltak, mint a híres kvantumfizikai gondolkodási kísérlet, Schrödinger macskája: Nagy tárgyak voltak, amelyek úgy viselkedtek, mint a szubatómiai fizika egyszerre halott és életben lévő lényei - létezve egy párhuzamos, egymásnak ellentmondó állapot között. És a finn laboratóriumban, ahol születtek, nem volt korlátozása annak, hogy hányszor lehetne megszerezni. Az impulzus utáni impulzus a kvantum világ lényévé vált. És azok a "kvantummacskák", amelyek csak egy másodperc töredékéig léteztek a kísérleti gépen belül, halhatatlanok voltak.
"Kísérletünkben az érzékelőt azonnal elküldtük, tehát közvetlenül a létrehozása után megsemmisítettük" - mondta Bastian Hacker, a németországi Max Planck Kvantumoptikai Intézet kutatója, aki a kísérleten dolgozott.
De nem így kellett lennie - mondta Hacker a Live Science-nek.
"Az optikai állapot örökké élhet. Tehát ha az impulzust az éjszakai égboltba küldtük volna, milliárd évet élhetne állapotában."
Ez a hosszú élet egy része annak, ami ezeket a impulzusokat olyan hasznossá teszi, tette hozzá. A hosszú élettartamú lézermacska képes túlélni egy optikai szálon keresztüli hosszú távú utazást, ezáltal jó információs egység a kvantumszámítógépek hálózatának.
Halott és élõ kvantummacska
Tehát mit jelent lézerimpulzus készítése, mint Schrödinger macska? Először is, a macska nem volt háziállat. Gondolkodó kísérlet volt, amelyet Erwin Schrödinger 1935-ben javasolt, hogy rámutasson a kvantumfizika puszta ésszerűtlenségére, amelyet akkoriban csak felfedezett.
Így működik: A kvantumfizika azt diktálja, hogy bizonyos körülmények között egy részecskének egyszerre két ellentmondó vonása lehet. Egy részecske spinje (egy olyan kvantummérés, amely nem egészen úgy néz ki, mint a makró skálán látható fonás) "fel" lehet, miközben "le" is. Csak akkor, ha megmérik a spinjét, a részecske úgy vagy úgy összeomlik.
A fizikusok többféleképpen értelmezik ezt a viselkedést, de a legnépszerűbb (a koppenhágai értelmezésnek nevezett) szerint a részecske nem igazán forog fel, vagy nem forog le, mielőtt megfigyelték. Addig, egyfajta homályos hálóban van az államok között, és csak akkor dönti el az egyik vagy a másik, ha egy külső megfigyelő kényszeríti rá.
Schrödinger észrevette, hogy ennek furcsa következményei vannak.
Elképzelte egy átlátszatlan acéldobozt, amely macskát, atomot és lezárt üvegpoharat tartalmaz mérgező gázokat. Ha az atom lebomlik (a kvantummechanikának köszönhetően ez egy lehetséges, de nem biztos dolog), a dobozban lévő mechanizmus összetöri az üveget, megöli a macskát. Ha az atom nem bomlik, akkor a macska élni fog. Hagyja a macskát egy órára a dobozban - mondta Schrödinger, és a macska az élet és a halál közötti "szuperpozícióba" kerülne.
A probléma ezzel kapcsolatban - az állította -, hogy ennek nincs értelme.
És mégis, Schrödinger macska egyfajta hasznos rövidítéssé vált olyan makro-méretű dolgokban, amelyek engedelmeskednek a klasszikus fizika törvényeinek, de olyan kvantumobjektumokkal kölcsönhatásba lépnek, amelyeknek sem egyik, sem pedig másik tulajdonsága nincs.
Az új kísérletben, amelyet egy, a Nature Photonics folyóiratban január 14-én megjelent cikkben írtak le, a kutatók lézerimpulzusokat hoztak létre, amelyek szuperpozícióban vannak két lehetséges kvantumállapot között. A kis impulzusokat "repülő optikai macskaállapotoknak" hívták.
Előállításukhoz először a rubídium atomot két tükrök közötti, 0,5 mm vastag (0,5 milliméter) szélességű üregbe (a sószem szélessége körül) egy üregbe korlátozták. Az atom lehet három állapot egyikében: két "alap" vagy egy "gerjesztett" állapotban. Amikor a fény belépett az üregbe, belekapaszkodott az atomba, vagyis annak állapota alapvetően kapcsolódott az atom állapotához.
Aztán, amikor a fényimpulzus eljutott egy fényérzékelőhöz, a köztesség jelzőfényei voltak, és nem teljes egészében úgy viselkedtek, mintha valamilyen atomba beleakadnának. A fényből készült repülő macska volt.
Ez a közti viszony a fényhullámok helyzetével függ össze - mondta Hacker. Miután az atomra pillantott, a fény tovább hullámként mozgott az űrben: domb és völgy, hegy és völgy.
Az azonban bizonytalanná vált, hogy a fény hulláma egy adott pillanatban eléri-e a domb tetejét, vagy egy völgybe ereszkedik le - mondta Hacker a Live Science-nek.
A fény úgy viselkedett, mintha legalább két különféle hullám lenne, amelyek mindegyike tükörképe lenne.
(A valóságban a fénynek még több lehetséges alakja lehet: A hullámának mindig volt legalább egy esélye arra, hogy minden pontot elfoglaljon egy "domb" teteje és a "völgy alja" között. De két tükörképhullám képviselte a két valószínűleg bizonytalan állapot.)
A kutatók szerint az úton ez a képesség, hogy mozgó macskákat küldjenek egyik helyről a másikra, hasznos lehet a kvantumhálózatok kialakításához. Ennek oka az, hogy a kvantumhálózat valószínűleg az, hogy a villamosenergia helyett a kvantum-számítógépek közötti fény továbbadását eredményezi a kvantumszámítógépek között.
"A legegyszerűbb küldeni az egyetlen fotont, de amikor eltévednek, a hordozott információ eltűnik" - mondta. "A macskaállapotok olyan módon kódolhatnak kvantuminformációkat, amelyek lehetővé teszik az optikai veszteség észlelését és annak helyrehozását. Bár minden optikai átvitelnek vesztesége van, az információ tökéletesen továbbítható."
Ennek ellenére még van tennivaló. Miközben a kutatók képesek voltak a macskák "determinisztikusan" létrehozni, vagyis egy macska megjelenik, amikor elvégezték a kísérletüket, a macskák nem mindig élték át a rövid fényvisszaverő útig. Az optika trükkös, és néha a fény kigyulladt, mielőtt odaért.
Egy ésszerű ember azt is megkérdezheti, hogy ezek a fényimpulzusok valóban Schrödinger macskáknak számítanak-e. Bizonyára klasszikus tárgyak - vagyis a nagyméretű tárgyak determinisztikus törvényeit követik -, de a kutatók elismerték a cikkben, hogy mindössze négy foton skálán a lézer a makroszkopikus és a kvantum skála szélén volt; így tehát csak a legszélesebb definíciók szerint lehet makroszkopikus.
"Valójában néhány foton semmi közeli a valós makroszkopikus objektumokhoz" - mondta Hacker. "A koherens optikai impulzusok pontja, mint amilyeneket használtunk, az, hogy az amplitúdó folyamatosan növelhető, alapvető korlátok nélkül."
Más szóval, persze, ezek néhány apró macska. De nincs ok arra, hogy ugyanazt az alapötletét nem lehetett felhasználni valamilyen óriási Schrödinger macskaféle készítésére.
A kutatók azonban végül magabiztosak voltak a kifejezés használatában, és az "optikai repülõ macskaállapotnak" van egy gyűrûje.
