Cameron Merritt
0 
2457
304
En laserpuls spratt av en rubidiumatom och gick in i kvantvärlden - och tog på sig den konstiga fysiken i "Schrödingers katt." Då gjorde en annan samma sak. Sedan en annan.
Laserpulserna växte inte viskor eller tassar. Men de blev som det berömda kvantfysikens tankeexperiment Schrödingers katt på ett viktigt sätt: De var stora föremål som agerade som samtidigt döda och levande varelser av subatomatisk fysik - som fanns i en limbo mellan två samtidiga, motstridiga tillstånd. Och laboratoriet i Finland där de föddes hade ingen begränsning för hur många de kunde göra. Puls efter puls förvandlades till en varelse av kvantvärlden. Och dessa "kvantkatter", även om de fanns endast en bråkdel av en sekund inne i experimentmaskinen, hade potential att vara odödliga.
"I vårt experiment skickades [laserkatten] till detektorn omedelbart, så den förstördes direkt efter skapandet," sade Bastian Hacker, en forskare vid Max Planck Institute of Quantum Optics i Tyskland, som arbetade på experimentet. [Science Fact eller Fiction? Tänkbarheten hos 10 vetenskapliga koncept]
Men det behövde inte vara så, berättade Hacker .
"Ett optiskt tillstånd kan leva för evigt. Så om vi hade skickat pulsen ut på natthimlen, skulle det kunna leva i miljarder år i sitt [kattliknande] tillstånd."
Den livslängden är en del av det som gör dessa pulser så användbara, tillade han. En långlivad laserkatt kan överleva långtidsresor genom en optisk fiber, vilket gör den till en bra informationsenhet för ett nätverk av kvantdatorer.
Kvantkatt, död och levande
Så vad betyder det att göra en laserpuls som Schrödingers katt? Först och främst var katten inte ett husdjur. Det var ett tankeexperiment som fysikern Erwin Schrödinger föreslog 1935 för att påpeka den stora orimlighet i kvantfysiken som han och hans kollegor då bara upptäckte. [Hur kvantförvirring fungerar (Infographic)]
Så här går det: Kvantfysik dikterar att en partikel under särskilda förhållanden kan ha två motstridiga egenskaper samtidigt. En partikels vridning (en kvantmätning som inte riktigt ser ut som den snurr vi ser i makroskala) kan vara "upp" samtidigt som den är "nere". Först när dess spinn mäts kollapsar partiklarna på ett eller annat sätt.
Fysiker har flera tolkningar av detta beteende, men den mest populära (kallad Köpenhamn-tolkningen) säger att partikeln inte riktigt snurrar upp eller snurrar ner innan den observeras. Fram till dess är det i en slags disig värld mellan stater och bestämmer bara det ena eller det andra när det tvingas till av en extern observatör.
Schrödinger märkte att detta hade några bisarra konsekvenser.
Han föreställde sig en ogenomskinlig stållåda som innehöll en katt, en atom och ett förseglat glasflaska giftgass. Om atomen förföll (en möjlighet, men inte en säker sak, tack vare kvantmekanik), skulle en mekanism i lådan spränga glaset och döda katten. Om atomen inte förfaller skulle katten leva. Lämna katten i lådan i en timme, sa Schrödinger, och katten skulle hamna i en "superposition" mellan liv och död.
Problemet med det, antydde han, är att det inte är meningsfullt alls.
Och ändå har Schrödingers katt blivit en slags användbar kortfattning för makroskala saker som följer lagarna i klassisk fysik, men interagerar med kvantobjekt så att de varken helt har ett drag eller helt annat.
I det nya experimentet, som beskrivs i en artikel publicerad 14 januari i tidskriften Nature Photonics, skapade forskare laserpulser som ligger i superposition mellan två möjliga kvanttillstånd. De kallade de små pulserna "flygande optiska kattstater."
För att göra dem begränsade de först rubidiumatomen till en hålighet mellan två speglar bara 0,02 tum (0,5 millimeter) bred (ungefär bredden av ett saltkorn). Atomen kan vara i en av tre tillstånd: två "mark" -tillstånd eller ett "upphetsat" tillstånd. När ljuset gick in i hålrummet, blev det intrasslat med atomen, vilket innebar att dess tillstånd var fundamentalt kopplat till atomens tillstånd.
Sedan, när ljuspulsen träffade en ljusdetektor, hade den tydliga tecken på ömsesidighet, varken helt fungerade som om den var förvirrad med en slags atom eller annan. Det var en flygande katt gjord av ljus.
Den mellan varandra har att göra med ljusvågornas position, sa Hacker. Efter att ha tittat bort från atomen fortsatte ljuset att röra sig genom rymden som en våg: kulle och dal, kulle och dal.
Men det blev osäkert om ljusvågen vid ett visst ögonblick nådde toppen av en kulle eller föll ner i en dal, berättade Hacker .
Ljuset fungerade som om det hade minst två olika vågor som utgör det, var och en av en spegelbild av den andra.
(I verkligheten kunde ljuset ha ännu fler möjliga former: Dess våg hade alltid åtminstone en viss chans att ockupera varje punkt mellan toppen av en "kulle" och botten av en "dal." Men två spegelbildsvågor representerade två troligen osäkra tillstånd.)
Forskarna sa att längs vägen kan denna förmåga att skicka flyttande katter från en plats till en annan vara användbar för kvantnätverk. Det beror på att kvantnätverk förmodligen kommer att förlita sig på att skicka ljus fram och tillbaka mellan kvantdatorer, sade Hacker, snarare än el.
"Det enklaste att skicka skulle vara enstaka fotoner, men när de går vilse [vilket händer ofta] är deras transporterade information borta," sade han. "Kattstater kan koda kvantinformation på ett sätt som gör det möjligt för [oss] att upptäcka optisk förlust och korrigera för den. Även om varje optisk överföring har förluster kan informationen överföras perfekt."
Som sagt, det finns fortfarande arbete att göra. Medan forskarna kunde skapa katterna "deterministiskt", vilket betyder att en katt dök upp varje gång de utförde sitt experiment, överlevde inte katterna alltid den korta resan till ljusmottagaren. Optik är svårt, och ibland blinkade ljuset ut innan de kommer dit.
En rimlig person kan också fråga sig om dessa ljuspulser verkligen räknas som Schrödingers katter. Det är verkligen klassiska föremål - vilket innebär att de följer de deterministiska lagarna i storskaliga objekt - men forskarna erkände i uppsatsen att lasern i en skala av bara fyra fotoner låg på kanten av makroskopisk och kvantisk skala; och så kan man säga att de är makroskopiska under bara de bredaste definitionerna.
"Faktiskt [några] fotoner är inget nära ett verkligt, makroskopiskt objekt," sade Hacker. "Poängen med koherenta optiska pulser som de vi använde är att amplituden kan skalas upp kontinuerligt utan någon grundläggande gräns."
Med andra ord, säkert, det här är några små katter. Men det finns ingen anledning att samma grundidé inte kunde användas för att göra några gigantiska Schrödinger-katter.
Men forskarna var slutligen säkra på att använda termen, och "optiskt flygande kattstat" har en ring till det.
- De 9 största olösta mysterierna i fysik
- De stora siffrorna som definierar universum
- Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings
Ursprungligen publicerad den .