Fizycy stworzyli latającą armię laserowych kotów Schrödingera

  • Gyles Lewis
  • 0
  • 2622
  • 531
)

Impuls laserowy odbił się od atomu rubidu i wszedł do świata kwantowego - przyjmując dziwaczną fizykę „kota Schrödingera”. Potem inny zrobił to samo. Potem kolejny.

Impulsy laserowe nie wyrosły ani w wąsach, ani na łapach. Ale w istotny sposób upodobnili się do słynnego eksperymentu myślowego fizyki kwantowej - kota Schrödingera: były to duże obiekty, które zachowywały się jak martwe i żywe istoty fizyki subatomowej jednocześnie - istniały w otchłani między dwoma równoległymi, sprzecznymi stanami. A laboratorium w Finlandii, w którym się urodzili, nie miało ograniczeń co do tego, ile mogli wyprodukować. Impuls za impulsem zamienił się w stworzenie świata kwantowego. A te „koty kwantowe”, chociaż istniały tylko przez ułamek sekundy wewnątrz eksperymentalnej maszyny, miały potencjał, by być nieśmiertelnymi.

„W naszym eksperymencie [laserowy kot] został natychmiast wysłany do detektora, więc został zniszczony zaraz po jego stworzeniu” - powiedział Bastian Hacker, badacz z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w Niemczech, który pracował nad eksperymentem. [Science Fact czy Fiction? Wiarygodność 10 koncepcji Sci-Fi]

Ale nie musiało tak być, powiedział Hacker .

„Stan optyczny może żyć wiecznie. Więc gdybyśmy wysłali impuls w nocne niebo, mógłby żyć miliardy lat w swoim [kocie] stanie”.

Dodał, że właśnie ta długowieczność jest częścią tego, co czyni te impulsy tak użytecznymi. Długowieczny kot laserowy może przetrwać długotrwałą podróż przez światłowód, co czyni go dobrą jednostką informacji dla sieci komputerów kwantowych.

Kot kwantowy, martwy i żywy

Więc co to znaczy wytworzyć impuls laserowy jak kot Schrödingera? Po pierwsze, kot nie był zwierzakiem. Był to eksperyment myślowy, który fizyk Erwin Schrödinger zaproponował w 1935 roku, aby zwrócić uwagę na czystą nieracjonalność fizyki kwantowej, którą on i jego koledzy dopiero wtedy odkryli. [Jak działa kwantowe splątanie (infografika)]

Oto jak to działa: Fizyka kwantowa mówi, że w określonych warunkach cząstka może mieć jednocześnie dwie sprzeczne cechy. Spin cząstki (pomiar kwantowy, który nie do końca przypomina wirowanie obserwowane w skali makro) może być „w górę”, a jednocześnie „w dół”. Dopiero gdy mierzy się jej spin, cząstka zapada się w taki czy inny sposób.

Fizycy mają kilka interpretacji tego zachowania, ale najpopularniejsza (zwana interpretacją kopenhaską) mówi, że cząstka tak naprawdę nie wiruje ani nie obraca się, zanim zostanie zaobserwowana. Do tego czasu znajduje się w mglistym podziemnym świecie między stanami i decyduje o jednym lub drugim tylko wtedy, gdy zmusza go do tego zewnętrzny obserwator..

Schrödinger zauważył, że miało to dziwne konsekwencje.

Wyobraził sobie nieprzezroczyste stalowe pudełko zawierające kota, atom i zapieczętowaną szklaną fiolkę z trującym gazem. Gdyby atom się rozpadł (możliwość, ale nie jest to pewne dzięki mechanice kwantowej), mechanizm w pudełku roztrzaskałby szkło, zabijając kota. Gdyby atom się nie rozpadł, kot by żył. Zostaw kota w pudełku na godzinę, powiedział Schrödinger, a kot skończyłby w „superpozycji” między życiem a śmiercią.

Sugerował, że problem polega na tym, że nie ma to żadnego sensu.

A jednak kot Schrödingera stał się rodzajem przydatnego skrótu dla rzeczy w skali makro, które są zgodne z prawami fizyki klasycznej, ale oddziałują z obiektami kwantowymi w taki sposób, że nie mają ani jednej, ani zupełnie innej cechy..

W nowym eksperymencie, opisanym w artykule opublikowanym 14 stycznia w czasopiśmie Nature Photonics, naukowcy stworzyli impulsy laserowe, które są w superpozycji między dwoma możliwymi stanami kwantowymi. Nazywali te małe impulsy „latającymi optycznymi stanami kota”.

Aby je wykonać, najpierw zamknęli atom rubidu we wnęce między dwoma zwierciadłami o szerokości zaledwie 0,02 cala (0,5 milimetra) (mniej więcej szerokość ziarenka soli). Atom może znajdować się w jednym z trzech stanów: dwóch stanach „podstawowych” lub jednym stanie „wzbudzonym”. Kiedy światło weszło do wnęki, splątało się z atomem, co oznacza, że ​​jego stan był zasadniczo powiązany ze stanem atomu.

Następnie, kiedy impuls świetlny uderzył w detektor światła, miał charakterystyczne oznaki pośrednictwa, które nie zachowywało się całkowicie tak, jakby był splątany z jednym lub drugim atomem. To był latający kot zrobiony ze światła.

Hacker powiedział, że to pośrednictwo miało związek z położeniem fal świetlnych. Po odbiciu się od atomu światło nadal przemieszczało się w przestrzeni jako fala: wzgórze i dolina, wzgórze i dolina.

(Zdjęcie: Giphy)

Ale nie było pewne, czy w jakimkolwiek momencie fala światła dociera do szczytu wzgórza, czy schodzi do doliny, powiedział Hacker .

Światło zachowywało się tak, jakby tworzyły co najmniej dwie różne fale, z których każda była lustrzanym odbiciem drugiej.

(W rzeczywistości światło mogło mieć jeszcze więcej możliwych kształtów: jego fala zawsze miała przynajmniej jakąś szansę na zajęcie każdego punktu między szczytem „wzgórza” a dnem „doliny”. Jednak dwie fale lustrzane reprezentowały dwa najbardziej prawdopodobne stany niepewne).

Naukowcy stwierdzili, że w przyszłości ta zdolność do wysyłania poruszających się kotów z jednego miejsca do drugiego może być przydatna do tworzenia sieci kwantowych. Dzieje się tak dlatego, że sieci kwantowe będą prawdopodobnie polegać na przesyłaniu światła tam iz powrotem między komputerami kwantowymi, powiedział Hacker, a nie na elektryczności.

„Najłatwiejszą rzeczą do wysłania byłyby pojedyncze fotony, ale kiedy się zgubią [co zdarza się często], ich przenoszone informacje znikają” - powiedział. „Stany kotów mogą kodować informacje kwantowe w sposób, który pozwala [nam] wykryć straty optyczne i je skorygować. Chociaż każda transmisja optyczna ma straty, informacje mogą być przesyłane doskonale”.

To powiedziawszy, wciąż jest do zrobienia. Podczas gdy naukowcom udało się stworzyć koty „deterministycznie”, co oznacza, że ​​kot pojawiał się za każdym razem, gdy przeprowadzali eksperyment, koty nie zawsze przeżywały krótką podróż do odbiornika światła. Optyka jest trudna i czasami światło gasło, zanim się tam dostało.

Ponadto rozsądna osoba może zapytać, czy te impulsy świetlne naprawdę liczą się jako koty Schrödingera. Z pewnością są to obiekty klasyczne - co oznacza, że ​​działają zgodnie z deterministycznymi prawami obiektów wielkoskalowych - ale naukowcy przyznali w artykule, że w skali zaledwie czterech fotonów laser znajdował się na skraju skali makroskopowej i kwantowej; można by więc powiedzieć, że są makroskopowe tylko w najszerszych definicjach.

„Rzeczywiście, kilka fotonów nie jest niczym bliskim rzeczywistego makroskopowego obiektu” - powiedział Hacker. „Punktem spójnych impulsów optycznych, takich jak te, których używaliśmy, jest to, że amplituda może być skalowana w sposób ciągły bez żadnych podstawowych ograniczeń”.

Innymi słowy, oczywiście, to są małe koty. Ale nie ma powodu, dla którego ten sam podstawowy pomysł nie mógłby zostać użyty do stworzenia gigantycznych kotów Schrödinger.

Ale naukowcy ostatecznie byli pewni, że użyją tego terminu, a „optyczny stan latającego kota” ma w sobie pierścień.

  • 9 największych nierozwiązanych tajemnic fizyki
  • Wielkie liczby definiujące wszechświat
  • Twisted Physics: 7 oszałamiających wniosków

Pierwotnie opublikowano w dniu .




Jeszcze bez komentarzy

Najciekawsze artykuły o tajemnicach i odkryciach. Wiele przydatnych informacji o wszystkim
Artykuły o nauce, kosmosie, technologii, zdrowiu, środowisku, kulturze i historii. Wyjaśniasz tysiące tematów, abyś wiedział, jak wszystko działa