Najťažšia Schrödingerova mačka dosiahnutá vložením malého kryštálu do superpozície dvoch oscilačných stavov

Aj keď nie ste kvantový fyzik, s najväčšou pravdepodobnosťou ste už počuli o Schrödingerovej slávnej mačke. Erwin Schrödinger v roku 1935 v myšlienkovom experimente o tom, ako môže byť mačka živá a mŕtva. Zdanlivý paradox – veď v každodennom živote vidíme len mačky, ktoré sú živé alebo mŕtve – inšpiroval vedcov, aby sa pokúsili zrealizovať podobné podmienky v laboratóriu. Doposiaľ sa im podarilo umiestniť napríklad atómy alebo molekuly do stavov kvantovej mechanickej superpozície na dvoch miestach súčasne.

Tím výskumníkov vedený Yiwen Chu, profesorom v Laboratóriu fyziky pevných látok na ETH, teraz vytvoril oveľa ťažšiu Schrödingerovu mačku umiestnením malého kryštálu do superpozície dvoch oscilačných stavov. Ich výsledky, ktoré sú zverejnené tento týždeň v časopise Vedaby mohli viesť k robustnejším kvantovým bitom a objasniť záhadu, prečo v makroskopickom svete nie sú pozorované kvantové superpozície.

mačka v krabici

V Schrödingerovom pôvodnom myšlienkovom experimente je mačka zapečatená vo vnútri kovovej krabice s rádioaktívnou látkou, Geigerovým počítačom a fľašou s jedom. V danom časovom horizonte – povedzme hodine – sa atóm v hmote môže, ale nemusí s určitou pravdepodobnosťou rozpadnúť prostredníctvom kvantového mechanického procesu a produkty rozpadu môžu spôsobiť zhasnutie Geigerovho počítadla a môžu spustiť mechanizmus, ktorý rozbije fľašu obsahujúcu jed, ktorý nakoniec mačku zabije.

Keďže vonkajší pozorovateľ nemôže vedieť, či sa atóm skutočne rozpadol, nemôže vedieť ani to, či je mačka živá alebo mŕtva – podľa kvantovej mechaniky, ktorá riadi rozpad atómu, je živá/mŕtva. Musí byť v stave. stav superpozície. (Schrödingerov nápad pripomína postava mačky v životnej veľkosti pred jeho bývalým domom na Huttenstrasse 9 v Zürichu).

„Samozrejme, v laboratóriu nemôžeme realizovať tento druh experimentu so skutočnou mačkou s hmotnosťou niekoľkých kilogramov,“ hovorí Chu. Namiesto toho sa jemu a jeho spolupracovníkom podarilo vytvoriť takzvaný mačací stav pomocou oscilujúceho kryštálu, reprezentujúceho mačku, so supravodivým obvodom reprezentujúcim materský atóm. Tento obvod je v podstate kvantový bit alebo qubit, ktorý môže nadobudnúť logické stavy „0“ alebo „1“ alebo superpozíciu oboch stavov „0+1“.

Spojením medzi qubitom a kryštálovou „mačkou“ nie je Geigerov počítač a jed, ale vrstva piezoelektrického materiálu, ktorá vytvára elektrické pole, keď kryštál mení tvar, keď osciluje. Toto elektrické pole môže byť spojené s elektrickým poľom qubitu, a tak sa stav superpozície qubitu môže preniesť na kryštál.

oscilujú súčasne v opačných smeroch

Výsledkom je, že kryštál teraz môže oscilovať v dvoch smeroch súčasne – napríklad nahor/nadol a nadol/nahor. Tieto dva smery predstavujú „živé“ alebo „mŕtve“ stavy mačky. „Umiestnením dvoch oscilačných stavov kryštálu do superpozície sme efektívne vytvorili Schrödingerovu mačku s hmotnosťou 16 mikrogramov,“ vysvetľuje Chu. Toto je zhruba hmotnosť jemného zrnka piesku a ani zďaleka sa nepribližuje hmotnosti mačky, ale stále je niekoľko miliárdkrát ťažšia ako atóm alebo molekula, čo z nej robí doteraz najťažšiu kvantovú mačku.

Aby boli oscilačné stavy skutočnými stavmi CAT, je dôležité, aby boli makroskopicky rozlíšiteľné. To znamená, že oddelenie stavov „hore“ a „dole“ musí byť väčšie ako akékoľvek tepelné alebo kvantové fluktuácie polôh atómov vo vnútri kryštálu. Chu a jeho kolegovia to overili meraním priestorového oddelenia dvoch stavov pomocou supravodivého qubitu. Aj keď nameraná separácia bola len miliardtina miliardtiny metra – v skutočnosti menšia ako atóm – bola dostatočne veľká na to, aby jasne oddelila štáty.

Meranie menších porúch pomocou štatistík mačiek

V budúcnosti by Chu rád rozšíril masový sortiment svojich krištáľových mačiek ešte viac. „Je to zaujímavé, pretože nám to umožní lepšie pochopiť dôvod zmiznutia kvantových efektov v makroskopickom svete skutočných mačiek,“ hovorí.

Kvantové technológie majú namiesto akademického záujmu aj potenciálne aplikácie. Napríklad kvantová informácia uložená v qubitoch môže byť robustnejšia použitím mačacích stavov zložených z veľkého počtu atómov v kryštáli, namiesto spoliehania sa na jednotlivé atómy alebo ióny, ako sa to robí v súčasnosti. Okrem toho, extrémna citlivosť masívnych objektov v superpozičných stavoch na vonkajší šum môže byť využitá na presné merania malých porúch, ako sú gravitačné vlny alebo detekcia temnej hmoty.