Ein Laserpuls prallte von einem Rubidiumatom ab und trat in die Quantenwelt ein - und übernahm die seltsame Physik von "Schrödingers Katze". Dann tat ein anderer das Gleiche. Dann ein anderer.
Die Laserpulse ließen keine Schnurrhaare oder Pfoten wachsen. Aber sie wurden in einer wichtigen Weise wie das berühmte quantenphysikalische Gedankenexperiment Schrödingers Katze: Es waren große Objekte, die sich wie die gleichzeitig toten und lebendigen Kreaturen der subatomaren Physik verhielten - in einer Schwebe zwischen zwei simultanen, widersprüchlichen Zuständen. Und das Labor in Finnland, in dem sie geboren wurden, hatte keine Begrenzung, wie viele sie machen konnten. Puls für Puls verwandelte sich in eine Kreatur der Quantenwelt. Und diese "Quantenkatzen" hatten, obwohl sie nur für den Bruchteil einer Sekunde in der Versuchsmaschine existierten, das Potenzial, unsterblich zu sein.
"In unserem Experiment wurde das sofort an den Detektor gesendet, sodass es direkt nach seiner Erstellung zerstört wurde", sagte Bastian Hacker, ein Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland, der an dem Experiment arbeitete.
Aber das musste nicht so sein, sagte Hacker zu Live Science.
"Ein optischer Zustand kann für immer leben. Wenn wir also den Puls in den Nachthimmel geschickt hätten, könnte er Milliarden von Jahren in seinem Zustand leben."
Diese Langlebigkeit ist Teil dessen, was diese Impulse so nützlich macht, fügte er hinzu. Eine langlebige Laserkatze kann Langzeitreisen durch eine optische Faser überleben, was sie zu einer guten Informationseinheit für ein Netzwerk von Quantencomputern macht.
Quantenkatze, tot und lebendig
Was bedeutet es also, einen Laserpuls wie Schrödingers Katze zu erzeugen? Erstens war die Katze kein Haustier. Es war ein Gedankenexperiment, das der Physiker Erwin Schrödinger 1935 vorschlug, um auf die schiere Unvernünftigkeit der Quantenphysik hinzuweisen, die er und seine Kollegen gerade erst entdeckten.
So geht's: Die Quantenphysik schreibt vor, dass ein Teilchen unter bestimmten Bedingungen gleichzeitig zwei widersprüchliche Eigenschaften haben kann. Der Spin eines Teilchens (eine Quantenmessung, die nicht ganz so aussieht wie der Spin, den wir auf der Makroskala sehen) kann "oben" und gleichzeitig "unten" sein. Nur wenn sein Spin gemessen wird, kollabiert das Teilchen auf die eine oder andere Weise.
Physiker haben verschiedene Interpretationen dieses Verhaltens, aber die beliebteste (Kopenhagener Interpretation genannt) besagt, dass sich das Teilchen nicht wirklich dreht oder dreht, bevor es beobachtet wird. Bis dahin befindet es sich in einer Art dunstiger Unterwelt zwischen Staaten und entscheidet sich nur dann für die eine oder andere, wenn dies von einem externen Beobachter erzwungen wird.
Schrödinger bemerkte, dass dies einige bizarre Auswirkungen hatte.
Er stellte sich eine undurchsichtige Stahlkiste vor, die eine Katze, ein Atom und eine versiegelte Glasflasche mit Giftgas enthielt. Wenn das Atom zerfällt (eine Möglichkeit, aber dank der Quantenmechanik keine sichere Sache), würde ein Mechanismus in der Schachtel das Glas zerbrechen und die Katze töten. Wenn das Atom nicht zerfallen würde, würde die Katze leben. Lass die Katze eine Stunde in der Kiste, sagte Schrödinger, und die Katze würde in eine "Überlagerung" zwischen Leben und Tod geraten.
Das Problem dabei sei, dass es überhaupt keinen Sinn mache.
Und doch ist Schrödingers Katze zu einer Art nützlicher Abkürzung für Dinge im Makromaßstab geworden, die den Gesetzen der klassischen Physik gehorchen, aber mit Quantenobjekten so interagieren, dass sie weder ganz ein Merkmal noch ganz ein anderes haben.
In dem neuen Experiment, das in einem Artikel beschrieben wurde, der am 14. Januar in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht wurde, haben Forscher Laserpulse erzeugt, die sich zwischen zwei möglichen Quantenzuständen überlagern. Sie nannten die kleinen Impulse "fliegende optische Katzenzustände".
Um sie herzustellen, beschränkten sie zuerst das Rubidiumatom auf einen Hohlraum zwischen zwei Spiegeln mit einer Breite von nur 0,5 mm (0,02 Zoll) (ungefähr der Breite eines Salzkorns). Das Atom kann sich in einem von drei Zuständen befinden: zwei "Grundzuständen" oder einem "angeregten" Zustand. Als das Licht in den Hohlraum eintrat, verwickelte es sich mit dem Atom, was bedeutete, dass sein Zustand grundlegend mit dem Zustand des Atoms verbunden war.
Dann, als der Lichtimpuls auf einen Lichtdetektor traf, hatte er verräterische Anzeichen von Unvereinbarkeit, und er verhielt sich weder ganz so, als wäre er mit der einen oder anderen Art von Atom verwickelt. Es war eine fliegende Katze aus Licht.
Diese Verflechtung habe mit der Position der Lichtwellen zu tun, sagte Hacker. Nach einem Blick vom Atom bewegte sich das Licht als Welle weiter durch den Raum: Hügel und Tal, Hügel und Tal.
Aber es wurde ungewiss, ob die Lichtwelle zu einem bestimmten Zeitpunkt die Spitze eines Hügels erreichte oder in ein Tal hinabstieg, sagte Hacker gegenüber Live Science.
Das Licht tat so, als hätte es mindestens zwei verschiedene Wellen, die jeweils ein Spiegelbild des anderen bildeten.
(In Wirklichkeit könnte das Licht noch mehr mögliche Formen haben: Seine Welle hatte immer mindestens eine Chance, jeden Punkt zwischen der Spitze eines "Hügels" und der Unterseite eines "Tals" zu besetzen. Aber zwei spiegelbildliche Wellen repräsentierten die zwei höchstwahrscheinlich unsichere Zustände.)
Die Forscher sagten, dass diese Fähigkeit, sich bewegende Katzen von einem Ort zum anderen zu schicken, später für die Quantenvernetzung nützlich sein könnte. Das liegt daran, dass Quantenvernetzung wahrscheinlich darauf beruht, dass Licht zwischen Quantencomputern hin und her gesendet wird, sagte Hacker und nicht Elektrizität.
"Am einfachsten zu senden wären einzelne Photonen, aber wenn sie verloren gehen, sind ihre übertragenen Informationen verschwunden", sagte er. "Cat-Zustände können Quanteninformationen so codieren, dass optische Verluste erkannt und korrigiert werden können. Obwohl jede optische Übertragung Verluste aufweist, können die Informationen perfekt übertragen werden."
Das heißt, es gibt noch viel zu tun. Während die Forscher in der Lage waren, die Katzen "deterministisch" zu erschaffen, was bedeutete, dass eine Katze auftauchte, wenn sie ihr Experiment durchführten, überlebten die Katzen die kurze Reise zum Lichtempfänger nicht immer. Die Optik ist schwierig, und manchmal ging das Licht aus, bevor es dort ankam.
Eine vernünftige Person könnte sich auch fragen, ob diese Lichtimpulse wirklich als Schrödingers Katzen gelten. Es handelt sich sicherlich um klassische Objekte - das heißt, sie folgen den deterministischen Gesetzen großer Objekte -, aber die Forscher räumten in der Arbeit ein, dass sich der Laser auf einer Skala von nur vier Photonen am Rande der makroskopischen und Quantenskala befand. und so könnte man sagen, dass sie nur unter den breitesten Definitionen makroskopisch sind.
"In der Tat sind nur wenige Photonen nichts in der Nähe eines realen makroskopischen Objekts", sagte Hacker. "Der Punkt kohärenter optischer Impulse, wie wir sie verwendet haben, ist, dass die Amplitude ohne grundsätzliche Begrenzung kontinuierlich vergrößert werden kann."
Mit anderen Worten, sicher, das sind einige winzige Katzen. Aber es gibt keinen Grund, warum dieselbe Grundidee nicht verwendet werden könnte, um einige riesige Schrödinger-Katzen herzustellen.
Aber die Forscher waren letztendlich zuversichtlich, den Begriff zu verwenden, und der "Zustand der optischen fliegenden Katze" hat einen Klang.
