Nejtěžší Schrödingerova kočka byla dosažena umístěním malého krystalu do superpozice dvou stavů oscilace

I když nejste kvantový fyzik, pravděpodobně jste slyšeli o Schrödingerově slavné kočce. Erwin Schrödinger přišel s kočkami, které by mohly být živé i mrtvé zároveň v myšlenkovém experimentu v roce 1935. Zjevný rozpor – koneckonců v každodenním životě vidíme pouze kočky živé nebo mrtvé – přiměl vědce, aby se pokusili dát smysl situacím Podobné in vitro. Doposud to dokázali tak, že využívali například atomy nebo molekuly ve stavech kvantově mechanické superpozice bytí na dvou místech současně.

Na ETH vytvořil tým výzkumníků pod vedením Yiwen Chu, profesora z Laboratoře fyziky pevných látek, dramaticky těžší Schrödingerovu kočku umístěním malého krystalu do superpozice dvou stavů oscilace. Výsledky byly zveřejněny tento týden v časopise vědyby mohlo vést k výkonnějším qubitům a osvětlit záhadu, proč v makroskopickém světě nejsou pozorovány kvantové superpozice.

kočka v krabici

V původním Schrödingerově myšlenkovém experimentu je kočka uzamčena uvnitř kovové krabice s radioaktivním materiálem, Geigerovým počítačem a lahvičkou s jedem. V daném časovém rámci – například hodině – se atom ve hmotě může nebo nemusí s určitou pravděpodobností rozpadnout kvantově mechanickým procesem a produkty rozpadu mohou způsobit výbuch Geigerova počítače a spustit mechanismus, který rozbije lahvičku obsahující jed, který kočku nakonec zabije.

Jelikož vnější pozorovatel nemůže vědět, zda se atom skutečně rozpadl, neví ani, zda je kočka živá nebo mrtvá – podle kvantové mechaniky, která řídí rozpad atomu, musí být ve stavu superpozice živý/mrtvý. (Schrödingerův nápad připomíná kočka v životní velikosti před jeho bývalým domem na Huttenstrasse 9 v Curychu.)

„Samozřejmě, že v laboratoři nemůžeme dosáhnout takového experimentu se skutečnou kočkou, která váží několik kilogramů,“ říká Zhou. Místo toho se jí a jejím kolegům podařilo vytvořit takzvaný kočičí stav pomocí oscilujícího krystalu, představujícího kočku, se supravodivým obvodem představujícím původní atom. Tento obvod je v podstatě qubit nebo qubit, který může mít logické stavy „0“ nebo „1“ nebo superpozici obou stavů, „0 + 1“.

Spojnicí mezi qubitem a krystalovou „kočkou“ není Geigerův počítač a jed, ale spíše vrstva piezoelektrického materiálu, která vytváří elektrické pole, když krystal mění tvar, když osciluje. Toto elektrické pole může být spojeno s elektrickým polem qubitu, a tak může být stav superpozice qubit přenesen na krystal.

Současné vibrace v opačných směrech

Díky tomu se nyní krystal může kývat ve dvou směrech současně – například nahoru/dolů a dolů/nahoru. Tyto dva směry představují „živý“ nebo „mrtvý“ stav kočky. „Složením dvou stavů oscilace v krystalu jsme efektivně vytvořili 16mikrogramovou Schrödingerovu kočku,“ vysvětluje Zhou. To je zhruba hmotnost jemného zrnka písku a zdaleka není tak masivní jako kočka, ale stále je miliardkrát těžší než atom nebo molekula, což z ní dělá dosud nejtlustší kvantovou kočku.

Aby byly viklání skutečné kočičí stavy, je důležité, aby je bylo možné rozeznat pouhým okem. To znamená, že oddělení mezi stavy „nahoře“ a „dolů“ musí být větší než jakékoli tepelné nebo kvantitativní fluktuace poloh atomů v krystalu. Zhou a kolegové to zkoumali měřením prostorového oddělení dvou stavů pomocí supravodivého qubitu. Přestože naměřená separace byla pouze miliardtina miliardtiny metru – ve skutečnosti menší než atom – byla dostatečně velká, aby jasně rozlišila stavy.

Změřte malé poruchy s případy koček

V budoucnu by Chu ráda posunula blokové limity svých krystalových koček ještě dále. „Je to zajímavé, protože nám to umožní lépe pochopit, proč kvantové efekty mizí v makroskopickém světě skutečných koček,“ říká.

Kromě tohoto poněkud akademického zájmu existují také potenciální aplikace v kvantových technologiích. Například kvantová informace uložená v qubitech může být robustnější použitím cat stavů složených z velkého počtu atomů v krystalu spíše než spoléháním se na jednotlivé atomy nebo ionty, jak se v současnosti praktikuje. Také extrémní citlivost masivních objektů ve stavech superpozice na vnější šum lze využít k přesným měřením malých poruch, jako jsou gravitační vlny, nebo k detekci temné hmoty.