Zespół fizyków z Uniwersytetu Yale podzielił kota Schrödingera na dwa osobne pudełka – i ten cholerny stwór przeżył.
Cóż, żył i nie żył, jednocześnie, dopóki ktoś go nie zaobserwował. Wtedy albo żył, albo nie.
Witamy w fizyce kwantowej, gdzie zasady świata widzialnego nie mają zastosowania, a mikroskopijne cząstki zdają się działać na własnym poziomie.
Nowe badania przeprowadzone na Uniwersytecie Yale, opierają się na zasadzie superpozycji, od dawna symbolizowanej przez kota w eksperymencie myślowym austriackiego fizyka Erwina Schrödingera z 1935 roku. Zasada ta, jedna z bardziej znanych łamigłówek w teorii kwantowej, mówi, że cząstki subatomowe znajdują się we wszystkich możliwych stanach fizycznych jednocześnie – w stanie superpozycji – dopóki ktoś nie spróbuje ich zaobserwować. Zajmują one tylko jeden, mierzalny stan (orientację, położenie, poziom energii), gdy ktoś próbuje je zaobserwować.
Tak więc, na przykład, elektron teoretycznie zajmuje każde możliwe miejsce na swoim orbitalu, dopóki nie spróbujemy go znaleźć. Wtedy jest on tylko w jednym miejscu.
Kot bez stanu
Kot był dla Schrödingera farsową reprezentacją tego, jak superpozycja wyglądałaby poza laboratorium. W swoim słynnym hipotetycznym eksperymencie zamknął on kota w pudełku zawierającym radioaktywną cząstkę i fiolkę z trującym gazem. Jeśli cząstka rozpadłaby się, fiolka pękłaby i kot by umarł; jeśli nie, kot by żył.
Schrödinger zwrócił uwagę, że gdyby cząstka ta znajdowała się w stanie superpozycji, jednocześnie rozpadając się i nie rozpadając, dopóki nikt by nie patrzył, kot byłby jednocześnie martwy i żywy, dopóki ktoś nie otworzyłby pudełka.
Schrödinger nie kupił tego. Mylił się jednak. W mikroskopijnej skali, nieobserwowana materia w jakiś sposób może być w wielu stanach jednocześnie i ta zdolność może być kluczem do obliczeń kwantowych, które obiecują niewyobrażalne dla dzisiejszych standardów prędkości przetwarzania.
Zwykły bit komputerowy może być w stanie „1” lub „0”. Bit kwantowy, zwany qubitem, może być w obu stanach jednocześnie, co pozwala mu na wykonywanie wielu zadań w tym samym czasie.
A gdyby ten dwustanowy qubit był połączony z innymi dwustanowymi qubitami w taki sposób, że każda akcja wykonana przez jeden z nich natychmiast wywoływałaby akcję w innym – stan splątania – mogłyby one wykonywać wiele zadań jednocześnie razem, jako pojedyncza jednostka.
Naukowcy mówią o takich „dwutrybowych stanach qubitów” od ponad 20 lat, ale nikomu nie udało się tego osiągnąć aż do teraz.
„Wiele niedorzecznych scenariuszy jest teoretycznie możliwych do zrealizowania, dopóki nie odkryjemy ograniczeń mechaniki kwantowej. Zawsze warto zobaczyć, co możemy zrobić w laboratorium” – mówi dr Chen Wang, doktorant na wydziale fizyki stosowanej i fizyki Yale oraz główny autor badań.
Dwa stany, dwie lokalizacje
W tym przypadku Wang i współpracownicy uwięzili fotony światła mikrofalowego, najmniejsze składniki pola elektromagnetycznego, w dwóch oddzielnych komorach mikrofalowych połączonych kanałem nadprzewodzącym. Seria impulsów energetycznych wprowadziła oba pola w stan superpozycji, oscylując jednocześnie w dwóch przeciwnych kierunkach.
„Stan katalityczny dla mikrofalowego oscylatora wnękowego jest bardzo podobny do struny gitarowej wibrującej jednocześnie w dwóch przeciwnych kierunkach” – pisze Wang w e-mailu.
„Dwumodowy stan kota”, dodaje, „jest jak dwie struny gitarowe, z których każda wibruje na dwa sposoby jednocześnie, ale zsynchronizowane ze sobą”.
Właśnie w tym miejscu pojawia się kanał nadprzewodzący. Ponieważ komory były połączone, podzielone fotony były w stanie oddziaływać na siebie. Stały się w ten sposób splątane, opisywane przez Physics of the Universe jako stan, w którym „cząstki oddziałujące ze sobą stają się trwale skorelowane lub zależne od stanów i właściwości innych, do tego stopnia, że efektywnie tracą swoją indywidualność i pod wieloma względami zachowują się jak jedna całość.”
Kiedy badacze wyłączyli kanał, pola nadal zachowywały się tak, jakby były ze sobą połączone. Wszelkie zmiany zastosowane w jednej komorze wywoływały jednoczesne zmiany w drugiej komorze, choć nie były już fizycznie połączone.
Kwantowa przyszłość
Badania po raz pierwszy pokazują możliwość istnienia dwumodowego stanu kota, w którym pojedynczy stan superpozycji istnieje w dwóch różnych miejscach jednocześnie.
„Dowodzi to, że nasza technologia kwantowa jest na tyle zaawansowana, że możemy wytworzyć taki stan kota z dużą liczbą cząstek o wielu odmianach” – mówi Wang.
Teoria kwantowa, jak się wydaje, staje się mniej teoretyczna.
„Nie tylko paradoks kota [Schrödingera] nie jest już absurdalny z punktu widzenia fizyków” – mówi Wang – „nawet bardziej egzotyczne stany kwantowe stają się powszechne i osiągalne”.
Następnym punktem programu zespołu jest „wdrożenie korekcji błędów w kwantowej bramce logicznej pomiędzy dwoma bitami kwantowymi”.
