Teoria kota Schrödingera. Oksford stworzył nowe stany kwantowe

Kot Schrödingera, ale dziwniejszy

Jak okiełznać coś, co rządzi się zasadami zupełnie innymi niż świat oglądany na co dzień? Naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego pokazali nowy sposób tworzenia złożonych stanów kwantowych. To nie jest jeszcze przełom, który jutro trafi do komputerów, ale zdecydowanie jest to ważny krok w stronę lepszego panowania nad układami, które dotąd pozostawały wyjątkowo trudne do przygotowania, utrzymania i badania.

W centrum eksperymentu znalazł się pojedynczy uwięziony jon. Choć brzmi to niepozornie, odegrał podwójną rolę. Jego stan wewnętrzny działał jak kubit, czyli podstawowa jednostka informacji wykorzystywana w komputerach kwantowych. Jednocześnie sam ruch jonu zachowywał się jak kwantowy oscylator harmoniczny. To jeden z kluczowych modeli opisujących zachowanie cząstek w mechanice kwantowej.

Jeden jon, dwa światy kwantowe

Połączenie tych dwóch elementów pozwoliło badaczom sprawdzić, jak można tworzyć i kontrolować bardziej złożone stany kwantowe. Do tej pory podobne układy były bardzo trudne do odtworzenia i zbadania.

W klasycznych komputerach informacja opiera się na zerach i jedynkach. Układy kwantowe działają inaczej. Mogą istnieć w superpozycji, czyli w stanie, którego nie da się sprowadzić do prostego „albo jedno, albo drugie”. W przypadku eksperymentu z Oksfordu najważniejsze było to, że pojedynczy jon łączył w sobie dwa różne światy.

Z jednej strony miał stan wewnętrzny, który można było traktować jak kubit. Z drugiej strony miał ruch, który można było opisywać jak oscylator kwantowy zdolny do zajmowania wielu różnych stanów. Dzięki temu naukowcy mogli wykorzystać jeden element układu do kontrolowania drugiego.

Teoria kota Schrödingera w nowej odsłonie

Do tej pory badacze tworzyli podobne superpozycje przede wszystkim ze stanów koherentnych. Uznaje się je za najbardziej „klasyczne” ze wszystkich stanów kwantowych, czyli takie, które w pewnym sensie najbardziej przypominają intuicyjny obraz znany ze zwykłej fizyki.

Najważniejsze okazało się splątanie stanu wewnętrznego jonu wraz z jego ruchem. Później, podczas eksperymentów, fizycy przeprowadzili specjalnie zaprojektowany pomiar, który pozwolił przygotować cząstkę w określonym stanie kwantowym o charakterystycznej, złożonej strukturze. Jak czytamy w artykule opublikowanym w Physical Review X, analiza wyników jednoznacznie potwierdziła, że uzyskane realne stany zachowują się tak, że nie da się ich opisać za pomocą klasycznej fizyki.

To nie jest zwykła ciekawostka

W tym badaniu najważniejsze nie jest odkrycie nowej reguły fizycznej. Chodzi przede wszystkim o opracowanie elastycznego sposobu tworzenia i kontrolowania szerokiej gamy skomplikowanych nowych stanów kwantowych.

Zdecydowanie nie jest to zwykła, naukowa ciekawostka, taki „michałek”. Takie techniki mogą w przyszłości przydać się w rozwoju precyzyjnych pomiarów, komputerów kwantowych i badań nad granicą między światem kwantowym a klasycznym. Na razie jednak naukowcy dopiero próbują lepiej zrozumieć zachowanie układów kwantowych, a ich badania na razie pozostają na podstawowym poziomie.

O co chodzi z kotem Schrödingera?

To nie jest pierwszy eksperyment, w którym fizycy testują granice mechaniki kwantowej za pomocą eksperymentu myślowego kota Schrödingera. Nazwa pochodzi od Erwina Schrödingera, który zaproponował jeden z najsłynniejszych eksperymentów myślowych w historii nauki.

W jego scenariuszu kot zamknięty w pudełku jest powiązany z układem kwantowym. Jeśli atom wyemituje cząstkę promieniowania, uruchamia się mechanizm uwalniający truciznę i zwierzę ginie. Jeśli atom nie wyemituje cząstki, kot przeżywa. Z punktu widzenia codziennego doświadczenia kot musi być albo żywy, albo martwy. Oczywiście to przenośnia i żaden kot nigdy nie brał udziału w testach.

Żywy i martwy jednocześnie. Paradoks kota Schrödingera

Patrząc na to pod kątem klasycznej fizyki, kot jest jednym z dwóch stanów, niezależnie od tego, czy spoglądniemy do wewnątrz pudełka. Mechanika kwantowa sugeruje jednak, że dopóki tego nie zmierzymy, atom znajduje się w superpozycji wszystkich możliwych stanów. A z racji, że los zwierzęcia jest zależny od niego, kot także powinien pozostać zarówno żywy, jak i martwy. Oto cały paradoks kota Schrödingera.

Najnowszy eksperyment z Oksfordu nie oznacza, że komputer kwantowy przyszłości jest już na wyciągnięcie ręki. Pokazuje jednak coś ważnego: naukowcy potrafią coraz dokładniej tworzyć, kształtować i badać stany, które jeszcze niedawno pozostawały głównie domeną teorii.

Warto przeczytać: Stało się. Pierwsza prawdziwa teleportacja kwantowa jest faktem