Laserski puls odskočio je od atoma rubidija i ušao u kvantni svijet preuzevši čudnu fiziku "Schrödingerove mačke." Zatim je drugi učinio isto. Zatim još jedan.
Laserski impulsi nisu rasli šapama ili šapama. Ali postali su poput čuvene kvantno-fizičke misli da eksperiment Schrödingerove mačke ima na važan način: Oni su bili veliki objekti koji su djelovali poput istodobno mrtvih i živih bića subatomske fizike - postoje u udubini između dva istodobna, oprečna stanja. A laboratorij u Finskoj, gdje su rođeni, nije imao ograničenja koliko mogu napraviti. Puls nakon pulsa pretvorio se u stvorenje kvantnog svijeta. A te "kvantne mačke", iako su postojale samo djelić sekunde u eksperimentalnom stroju, mogle su biti besmrtne.
"U našem eksperimentu, aparat je odmah poslan detektoru, pa je uništen odmah nakon njegovog stvaranja", rekao je Bastian Hacker, istraživač iz Max Planck instituta za kvantnu optiku u Njemačkoj, koji je radio na eksperimentu.
Ali to ne mora biti tako, rekao je Hacker za Live Science.
"Optičko stanje može živjeti zauvijek. Dakle, da smo puls poslali u noćno nebo, u svom bi stanju moglo živjeti milijarde godina."
Ta je dugovječnost dio onoga što ove pulseve čini toliko korisnim, dodao je. Dugovječna laserska mačka može preživjeti dugotrajno putovanje optičkim vlaknima, što je čini dobrom jedinicom informacija za mrežu kvantnih računala.
Kvantna mačka, mrtva i živa
Pa što znači napraviti laserski impuls poput Schrödingerove mačke? Prije svega, mačka nije bila kućni ljubimac. Bio je to misaoni eksperiment koji je fizičar Erwin Schrödinger 1935. godine predložio da ukaže na čistu nerazumnost kvantne fizike koju su on i njegovi kolege tek otkrili.
Evo kako slijedi: Kvantna fizika diktira da, pod određenim uvjetima, čestica može istovremeno imati dvije oprečne osobine. Okretanje čestica (kvantno mjerenje koje ne izgleda baš baš poput predenja koje vidimo na makro skali) može biti "gore", a istovremeno je "dolje". Tek kada se mjeri njegovo centrifugiranje, čestica se sruši na ovaj ili onaj način.
Fizičari imaju nekoliko tumačenja ovakvog ponašanja, ali najpopularnija (koja se naziva interpretacija iz Kopenhagena) kaže da se čestica zapravo ne zavrti ili se spusti prije nego što se opazi. Do tada, to je u nekakvom maglovitom mrežnom svijetu između država, a o onom ili onom odlučuje samo kad ga prisili vanjski promatrač.
Schrödinger je primijetio da to ima neke bizarne posljedice.
Zamišljao je neprozirnu čeličnu kutiju koja je sadržavala mačku, atom i zapečaćenu staklenu bočicu s otrovnim plinom. Ako bi se atom raspadao (mogućnost, ali nije sigurna stvar, zahvaljujući kvantnoj mehanici), mehanizam u kutiji razbio bi čašu, ubivši mačku. Da se atom ne raspada, mačka bi živjela. Ostavite mačku u kutiji na sat vremena, rekao je Schrödinger, a mačka će završiti u "superpoziciji" između života i smrti.
Problem s tim, podrazumijevao je, taj što uopće nema smisla.
Pa ipak, Schrödingerova mačka postala je svojevrsna korisna skraćenica za makroskopske stvari koje poštuju zakone klasične fizike, ali međusobno djeluju s kvantnim objektima tako da nemaju u potpunosti jednu osobinu, niti sasvim drugu.
U novom eksperimentu, opisanom u radu objavljenom 14. siječnja u časopisu Nature Photonics, istraživači su stvorili laserske impulse koji su u superpoziciji između dva moguća kvantna stanja. Oni su nazvali male impulse "letećim optičkim mačjim stanjima".
Da bi ih napravili, najprije su ograničili atom rubidija u šupljinu između dva zrcala široka samo 0,02 inča (oko 0,5 milimetara) (otprilike širinu zrna soli). Atom može biti u jednom od tri stanja: dva "prizemljena" stanja ili jedno "uzbuđeno" stanje. Kad je svjetlost ušla u šupljinu, zaplela se s atomom, što znači da je njegovo stanje u osnovi povezano sa stanjem atoma.
Tada, kad je svjetlosni impuls pogodio detektor svjetlosti, imao je naznačne međusobne znakove, niti se u cijelosti ponašao kao da je upleten s jednom ili drugom vrstom atoma. Bila je to leteća mačka napravljena od svjetlosti.
Ta je međusobna veza povezana s položajem svjetlosnih valova, rekao je Hacker. Nakon što je bacio pogled na atom, svjetlost se nastavila kretati kroz svemir kao val: brdo i dolina, brdo i dolina.
Ali postalo je neizvjesno hoće li u bilo kojem trenutku svjetlosni val stići do vrha brda ili se spustiti u dolinu, rekao je Hacker za Live Science.
Svjetlo je djelovalo kao da ima najmanje dva različita vala koji su činili, svaki zrcalni prikaz drugog.
(U stvarnosti, svjetlost bi mogla imati još više mogućih oblika: Njegov val uvijek je imao barem neku šansu da zauzme svaku točku između vrha "brda" i dna "doline". Ali dva vala zrcalne slike predstavljala su dvije najvjerojatnije nesigurne države.)
Istraživači su rekli da bi sposobnost slanja pokretnih mačaka s jednog mjesta na drugo mogla biti korisna za kvantno umrežavanje. To je zato što se kvantno umrežavanje vjerojatno oslanja na slanje svjetla između kvantnih računala, rekao je Hacker, umjesto na električnu energiju.
"Najlakše su poslati pojedinačne fotone, ali kad se izgube, njihove nošene informacije nestaju", rekao je. "Mačja stanja mogu kodirati kvantne informacije na način koji omogućava otkrivanje optičkog gubitka i ispravljanje za to. Iako svaki optički prijenos ima gubitke, informacije se mogu prenositi savršeno."
Ipak, još je posla. Dok su istraživači uspjeli stvoriti mačke "deterministički", što znači da se mačka pojavila kad god su izveli svoj eksperiment, mačke nisu uvijek preživjele kratko putovanje do prijemnika svjetlosti. Optika je škakljiva i ponekad je svjetlo treptalo prije nego što je stiglo.
Također bi razumna osoba mogla postaviti pitanje smatraju li se ovi svjetlosni impulsi zaista Schrödingerovim mačkama. Oni su sigurno klasični objekti - što znači da slijede determinističke zakone objekata velikih razmjera - ali istraživači su u radu priznali da je laser u skali od samo četiri fotona bio na rubu makroskopske i kvantne ljestvice; i tako bi se moglo reći da su makroskopske pod samo najšire definicije.
"Zapravo, nekoliko fotona nije ništa blisko makroskopskom objektu iz stvarnog svijeta", rekao je Hacker. "Poanta koherentnih optičkih impulsa poput onih koje smo koristili je da se amplituda može kontinuirano povećavati bez ikakvih osnovnih ograničenja."
Drugim riječima, sigurno, to su neke sićušne mačke. Ali nema razloga da se ista osnovna ideja ne može upotrijebiti za izradu divovskih Schrödingerovih mačaka.
No, istraživači su u konačnici bili sigurni u korištenje termina, a "optičko stanje leteće mačke" ima to.
