Лазерен импулс отскочи от атом на рубидий и навлезе в квантовия свят - поемайки странната физика на „котката на Шрьодингер“. Тогава друг направи същото. После друго.
Лазерните импулси не растат мустаци или лапи. Но те станаха като известната квантово-физическа мисъл експериментира котката на Шрьодингер по важен начин: Те бяха големи обекти, които действаха като едновременно мъртви и живи същества от субатомна физика - съществуващи в крайник между две едновременно противоречиви състояния. И лабораторията във Финландия, където са родени, нямаше ограничение за това, колко биха могли да направят. Пулсът след пулса се превърна в създание на квантовия свят. И тези „квантови котки“, макар че съществували само за част от секундата в експерименталната машина, имаха потенциал да бъдат безсмъртни.
"В нашия експеримент, бе изпратен на детектора незабавно, така че беше унищожен веднага след създаването му", казва Бастиан Хакър, изследовател от Института за квантова оптика "Макс Планк" в Германия, който работи върху експеримента.
Но не е трябвало да бъде така, каза Хакер пред Live Science.
"Оптично състояние може да живее вечно. Така че ако бяхме изпратили пулса навън в нощното небе, той можеше да живее милиарди години в своето състояние."
Това дълголетие е част от това, което прави тези импулси толкова полезни, добави той. Дълготрайната лазерна котка може да оцелее при дългосрочно пътуване през оптично влакно, което я прави добра единица информация за мрежа от квантови компютри.
Квантова котка, мъртва и жива
И така, какво означава да направите лазерен импулс като котката на Шрьодингер? На първо място, котката не беше домашен любимец. Това беше мисловен експеримент, който физикът Ервин Шрьодингер предложи през 1935 г., за да посочи абсолютната необоснованост на квантовата физика, която той и неговите колеги тогава само откриват.
Ето как става: Квантовата физика диктува, че при определени условия една частица може да има две противоречиви черти едновременно. Завъртането на частиците (квантово измерване, което не прилича много на въртенето, което виждаме в макромащаба), може да бъде "нагоре", като същевременно е и "надолу". Едва когато се измерва завъртането му, частицата се срива по един или друг начин.
Физиците имат няколко тълкувания на това поведение, но най-популярната (наречена интерпретация от Копенхаген) казва, че частицата всъщност не се върти или се върти, преди да бъде наблюдавана. Дотогава той е във вид на неясен мрежов свят между държави и взема решение само за едно или друго, когато е принуден от външен наблюдател.
Шрьодингер забеляза, че това има някои причудливи последици.
Представи си непрозрачна стоманена кутия, съдържаща котка, атом и запечатан стъклен флакон с отровен газ. Ако атомът се разпадне (възможност, но не е сигурно нещо, благодарение на квантовата механика), механизъм в кутията би разбил стъклото, убивайки котката. Ако атомът не се разпадне, котката ще живее. Оставете котката в кутията за един час, каза Шрьодингер и котката ще се окаже в „суперпозиция“ между живота и смъртта.
Проблемът с това, той загатваше, е, че изобщо няма смисъл.
И все пак, котката на Шрьодингер се превърна в един вид полезна стенограма за макромащабни неща, които се подчиняват на законите на класическата физика, но взаимодействат с квантовите обекти, така че да нямат нито една черта, нито изцяло друга.
В новия експеримент, описан в документ, публикуван на 14 януари в списанието Nature Photonics, изследователите създават лазерни импулси, които са в суперпозиция между две възможни квантови състояния. Наричаха малките импулси „летящи оптични състояния на котките“.
За да ги направят, те първо ограничили атома на рубидия в кухина между две огледала с широчина само 0,02 инча (0,5 милиметра) (около ширината на зърно сол). Атомът може да бъде в едно от трите състояния: две „заземени“ състояния или едно „възбудено“ състояние. Когато светлината навлезе в кухината, тя се оплете с атома, което означава, че състоянието му е свързано по същество със състоянието на атома.
Тогава, когато светлинният импулс удари светлинен детектор, той имаше показателни признаци на междуречие, нито изцяло действаше така, сякаш беше оплетен с един или друг вид атом. Това беше летяща котка, направена от светлина.
Това междуречие е свързано с положението на светлинните вълни, каза Хакър. След като погледна атома, светлината продължи да се движи през космоса като вълна: хълм и долина, хълм и долина.
Но стана несигурно дали във всеки един момент светлинната вълна достига върха на хълм или се спуска надолу в долина, каза Хакър пред Live Science.
Светлината действаше така, сякаш имаше поне две различни вълни, които я съставляваха, всяка от които огледално изображение на другата.
(В действителност светлината може да има още по-възможни форми. Вълната й винаги имаше поне някакъв шанс да заеме всяка точка между върха на „хълм“ и дъното на „долина“. Но две вълни с огледално изображение представляват две най-вероятни несигурни състояния.)
Изследователите казаха, че тази способност за изпращане на движещи се котки от едно място на друго може да бъде полезна за квантовата мрежа. Това е така, защото квантовите мрежи вероятно ще разчитат на изпращане на светлина напред и назад между квантовите компютри, каза Хакер, а не на електричество.
"Най-лесното нещо за изпращане ще бъдат единични фотони, но когато се изгубят, тяхната пренесена информация няма", каза той. "Cat състоянията могат да кодират квантова информация по начин, който позволява да се открият оптични загуби и да се коригира за нея. Въпреки че всяко оптично предаване има загуби, информацията може да бъде предадена перфектно."
Това каза, че предстои още работа. Докато изследователите са успели да създадат котките "детерминистично", което означава, че котка се появява всеки път, когато извършват експеримента си, котките не винаги преживяват краткото пътуване до приемника за светлина. Оптиката е трудна и понякога светлината мига, преди да стигне до там.
Също така разумният човек може да постави под въпрос дали тези светлинни импулси наистина се считат за котки на Шрьодингер. Те със сигурност са класически обекти - което означава, че следват детерминистичните закони на мащабни обекти - но изследователите признават в документа, че с мащаб от само четири фотона, лазерът е на ръба на макроскопичния и квантовия мащаб; и така може да се каже, че са макроскопични само в най-широките определения.
"Всъщност малкото фотони не е нищо близко до макроскопичен обект в реалния свят", каза Хекер. „Точката на кохерентните оптични импулси като тези, които използвахме, е, че амплитудата може да се мащабира непрекъснато без някакво фундаментално ограничение.“
С други думи, сигурно, това са едни мънички котки. Но няма причина същата основна идея да не може да се използва за създаване на някои гигантски котета на Schrödinger.
Но в крайна сметка изследователите са били уверени в използването на термина и "оптично състояние на летяща котка" има пръстен към него.
