Laserpulssi pomppi rubidiumatomin ja pääsi kvantimaailmaan ottaen "Schrödingerin kissan" outon fysiikan. Sitten toinen teki saman asian. Sitten toinen.
Laserpulssit eivät kasvataneet viiksiä tai tassuja. Mutta niistä tuli kuin kuuluisan kvantfysiikan ajattelukokeilua Schrödingerin kissaa tärkeällä tavalla: Ne olivat suuria esineitä, jotka toimivat kuin subatomisen fysiikan samanaikaisesti kuolleet ja elossa olevat olennot - olemassa kahden samanaikaisen, ristiriitaisen tilan välillä. Ja laboratoriolla Suomessa, jossa he syntyivät, ei ollut rajoitusta kuinka monta he voisivat tehdä. Pulssi pulssin jälkeen muuttui kvantimaailman olentoksi. Ja nuo "kvanttikissat", vaikka ne olivat olemassa vain murto-sekunnin ajan kokeellisen koneen sisällä, pystyivät olemaan kuolemattomia.
"Kokeilumme lähetettiin detektorille heti, joten se tuhottiin heti sen luomisen jälkeen", kertoi kokeilun parissa työskennellyt Bastian Hacker, saksalaisen Max Planckin kvanttioptiikan instituutin tutkija.
Mutta sen ei tarvinnut olla niin, Hacker kertoi Live Sciencelle.
"Optinen tila voi elää ikuisesti. Joten jos olisimme lähettäneet pulssin yötaivaalle, se voisi elää miljardeja vuosia tilassaan."
Hän lisäsi, että pitkäikäisyys on osa näitä pulsseja niin hyödyllisiä. Pitkäikäinen laserkissa voi selviytyä pitkäaikaisesta matkasta optisen kuidun läpi, mikä tekee siitä hyvän tietoyksikön kvantitietokoneiden verkolle.
Kvanttikissa, kuollut ja elossa
Joten mitä tarkoittaa laserpulssin tekeminen kuin Schrödingerin kissa? Ensinnäkin, kissa ei ollut lemmikki. Se oli ajattelukoke, jonka fyysikko Erwin Schrödinger ehdotti vuonna 1935 osoittaakseen sen kvanttifysiikan pelkän kohtuuttomuuden, jonka hän ja hänen kollegansa olivat vasta havaitsemassa.
Näin se menee: Kvantfysiikka määrää, että tietyissä olosuhteissa hiukkasella voi olla kaksi ristiriitaista ominaisuutta samanaikaisesti. Hiukkasen spin (kvanttimittaus, joka ei aivan näytä siltä kuin makroasteikolla näkemämme kehruu) voi olla "ylös", samalla kun se on "alas". Vain kun sen kehruu on mitattu, hiukkanen romahtaa tavalla tai toisella.
Fyysikoilla on useita tulkintoja tästä käytöksestä, mutta suosituin (nimeltään Kööpenhaminan tulkinta) sanoo, että hiukkasia ei oikeastaan pyöri ylös tai pyöritä alas ennen kuin sitä havaitaan. Siihen saakka, se on eräänlaisena sameassa verkkomaailmassa valtioiden välillä, ja päättää vain toisesta, kun ulkopuolinen tarkkailija pakottaa.
Schrödinger huomasi, että tällä oli omituisia vaikutuksia.
Hän kuviteli läpinäkymättömän teräslaatikon, joka sisälsi kissan, atomin ja suljetun lasipullo myrkkykaasun. Jos atomi rappeutui (kvanttimekaniikan ansiosta mahdollisuus, mutta ei varma asia), laatikossa oleva mekanismi murskaisi lasin ja tappaisi kissan. Jos atomi ei hajoa, kissa elää. Jätä kissa laatikkoon tunniksi, Schrödinger sanoi, ja kissa päätyisi elämän ja kuoleman väliseen "superpositioon".
Hänen tarkoittamansa ongelma on, ettei sillä ole mitään merkitystä.
Ja silti, Schrödingerin kissasta on tullut eräänlainen hyödyllinen pikakuvaus sellaisissa makrolaajuisissa asioissa, jotka noudattavat klassisen fysiikan lakeja, mutta ovat vuorovaikutuksessa kvanttiobjektien kanssa siten, että niillä ei ole täysin yhtä ominaisuutta eikä toista.
Uudessa kokeessa, jota kuvailtiin Nature Photonics -lehdessä tammikuun 14. päivä ilmestyneessä lehdessä, tutkijat loivat laserpulssit, jotka ovat superpositiossa kahden mahdollisen kvanttitilan välillä. He kutsuivat pieniä pulsseja "lentäviksi optisiksi kissan tiloiksi".
Niiden tekemiseksi he rajoittivat ensin rubidiumatomin kahden peilin väliseen onteloon, joka oli vain 0,02 tuumaa (0,5 millimetriä) leveä (suunnilleen suolajyvän leveys). Atomi voi olla yhdessä kolmesta tilasta: kahdessa "maa" -tilassa tai yhdessä "viritetyssä" tilassa. Kun valo tuli onteloon, se takertui atomiin, mikä tarkoittaa sen tilaa olevan pohjimmiltaan yhteydessä atomin tilaan.
Sitten, kun valopulssi osui valotunnistimeen, siinä oli merkkivalojen välinen merkki, eikä kumpikaan toiminut täysin niin kuin se olisi takertunut jonkinlaiseen atomiin. Se oli lentävä kissa, joka oli valmistettu valosta.
Tämä välinpitävyys liittyi valoaaltojen sijaintiin, Hacker sanoi. Kun atomiin oli pilkittu, valo jatkoi liikkumista avaruuden läpi aallona: mäki ja laakso, mäki ja laakso.
Mutta tuli epävarmaksi, oliko valon aalto milloin tahansa saavuttamassa mäen yläosaa vai laskeutuuko alas laaksoon, Hacker kertoi Live Science: lle.
Valo toiminut ikään kuin sillä olisi ainakin kaksi erilaista aaltoa, jotka muodostavat sen, kukin toistensa peilikuvana.
(Todellisuudessa valolla voi olla vieläkin mahdollisempia muotoja: Sen aallolla oli ainakin jonkinlainen mahdollisuus miehittää jokainen piste "mäen" yläosan ja "laakson pohjan" välillä. Mutta kaksi peilikuvan aaltoa edustivat kaksi todennäköisimmin epävarmaa tilaa.)
Tutkijat kertoivat, että tiellä tämä kyky lähettää liikkuvia kissoja paikasta toiseen voi olla hyödyllinen kvanttiverkostoon. Tämä johtuu siitä, että kvanttiverkosto luottaa todennäköisesti valon lähettämiseen edestakaisin kvantitietokoneiden välillä, Hacker sanoi, eikä sähköön.
"Helpoin asia lähettää olisi yksittäisiä fotoneja, mutta kun ne katoavat, heidän kuljettamansa tiedot ovat kadonneet", hän sanoi. "Kissatilat voivat koodata kvanttitietoja tavalla, joka mahdollistaa optisen häviön havaitsemisen ja korjaamisen. Vaikka jokaisella optisella lähetyksellä on häviöitä, tieto voidaan lähettää täydellisesti."
Se sanoi, että työ on vielä tekemättä. Vaikka tutkijat pystyivät luomaan kissat "deterministisesti", mikä tarkoittaa, että kissa ilmestyi aina kun he suorittivat kokeilun, kissat eivät aina selvinneet lyhyestä matosta valon vastaanottimeen. Optiikka on hankala, ja joskus valo heräsi ulos ennen sinne saapumista.
Kohtuullinen henkilö voi myös kysyä, lasketaanko nämä valopulssit todella Schrödingerin kissoiksi. Ne ovat varmasti klassisia esineitä - tarkoittavat, että ne seuraavat suurten esineiden deterministisiä lakeja -, mutta tutkijat tunnustivat lehdessä, että vain neljän fotonin mittakaavassa laser oli makroskooppisen ja kvanttisen mittakaavan reunalla; joten niiden voidaan sanoa olevan makroskooppisia vain laajimpien määritelmien mukaisesti.
"Itse asiassa muutama fotoni ei ole mitään lähellä reaalimaailman makroskooppista objektia", Hacker sanoi. "Koherenttien optisten pulssien kohta, jota käytimme, on, että amplitudia voidaan skaalata jatkuvasti ilman mitään perustavaa laatua olevaa rajaa."
Toisin sanoen, varmasti, nämä ovat pieniä kissoja. Mutta ei ole mitään syytä, että samaa perusideaa ei voida käyttää tekemään jättiläisistä Schrödinger-kissoista.
Mutta tutkijat olivat viime kädessä varmoja ilmauksen käytöstä, ja "optisella lentävällä kissatilalla" on rengas siihen.
