فیزیکدانان گربه شرودینگر رکوردشکنی را با برخی از عجیب ترین اتم های فیزیک ساخته اند: ScienceAlert

به نظر می رسد فیزیکدانان نمی توانند از “غذا دادن” به گربه شرودینگر خودداری کنند.

گربه نظری از Slinky Malinki به Butterball Brown رفته است – و به رشد خود ادامه می دهد.

البته نه به معنای واقعی کلمه. در عوض، فیزیکدانان در تلاش هستند تا حالات کوانتومی را در یک برهم نهی دورتر و دورتر از هم سوق دهند، سعی می کنند کشف کنند که قبل از اینکه گربه شرودینگر دیگر گربه شرودینگر نباشد، چقدر می توانند به قلمرو فیزیک کلاسیک نزدیک شوند.

اکنون دانشمندان آلمانی یک نسخه نوری رکوردشکنی از آزمایش فکری معروف را ایجاد کرده‌اند – با استفاده از برخی از عجیب‌ترین اتم‌های شناخته شده برای فیزیک.

تیمی به رهبری فیزیکدان هندریک هگلز از موسسه ماکس پلانک برای اپتیک کوانتومی، با استفاده از یک نوع اتم فوق‌کرکی به نام اتم ریدبرگ، چوکرهای شرودینگر – حالت‌های گربه نوری با آنچه که محققان به عنوان “اندازه‌های رکورد جهانی” توصیف می‌کنند، ایجاد کرده‌اند.

و هر چه گربه بزرگتر شود، فیزیکدانان می توانند یکی از ماندگارترین اسرار مکانیک کوانتومی را با دقت بیشتری بررسی کنند: دقیقاً جهان کوانتومی به کجا ختم می شود و جهان ما شروع می شود؟

این یک مشکل عمیقاً نگران کننده است.

مکانیک کوانتومی در توصیف رفتار قلمرو زیراتمی بسیار دقیق است. فیزیک کلاسیک برای قلمرو وسیع تری که هر روز در آن زندگی می کنیم به همان اندازه کار فوق العاده ای انجام می دهد. اما سعی کنید قوانین یکی را در مورد دیگری اعمال کنید و همه چیز خراب می شود.

جایی وجود دارد که در آن شایدهای عجیب و غریب قلمرو کوانتومی به قطعیت قلمرو کلاسیک تبدیل می‌شوند – اما اینکه چگونه و چرا این اتفاق می‌افتد در حال حاضر یک علامت سوال بزرگ است.

گربه شرودینگر در سال 1935 در صحنه ظاهر شد – اما هرگز در مورد گربه نبود.

فیزیکدان اتریشی، اروین شرودینگر، این آزمایش فکری را برای نشان دادن آنچه اتفاق می افتد زمانی که مفهوم کوانتومی عجیب برهم نهی در دنیای روزمره گسترش می یابد، ایجاد کرد.

در مثال فرضی او، یک گربه در جعبه ای مهر و موم شده است با مکانیزمی که توسط یک رویداد کوانتومی تصادفی ایجاد می شود که ممکن است آن را بکشد یا نکند.

تا زمانی که جعبه باز شود و نتیجه مشاهده شود، مکانیک کوانتومی سیستم را به عنوان برهم نهی از دو احتمال توصیف می کند. گربه هم زنده است و هم مرده این یک نمونه از “شاید عجیب” است.

در قلمرو کوانتومی، برهم نهی یک پوچ انتزاعی مربوط به حیوانات خانگی نیست، بلکه یک پدیده واقعی است که می تواند ایجاد و اندازه گیری شود.

دانشمندان حتی می توانند برهم نهی هایی از حالت هایی ایجاد کنند که کاملاً با یکدیگر متفاوت هستند. هر چه این تفاوت بزرگتر باشد، وضعیت حاصل از گربه شرودینگر “بزرگتر” است – تصور کنید یک احتمال یک اسکلت سنگ شده و دیگری یک گربه در حال رقص است، نه فقط مرده و زنده.

هر چه حالت ها از هم دورتر می شوند، اتصال کوانتومی ظریف آنها در برابر اختلال توسط محیط آسیب پذیرتر می شود، فرآیندی که به نام decoherence شناخته می شود.

و حالا نوبت درخشش اتم ریدبرگ است.

در یک اتم معمولی، شما یک هسته دارید که توسط دسته کوچکی از الکترون ها احاطه شده است. انرژی اضافه کنید، و یک الکترون می تواند به حالت انرژی بالاتر دورتر از هسته بپرد و اتم را تا حد کمی منبسط کند.

یک اتم ریدبرگ همان چیزی است که وقتی به یکی از این الکترون‌ها انرژی زیادی در شرایطی که اجازه می‌دهد به اتم متصل بماند، به دست می‌آورید. مدار آن می‌تواند به‌طور شگفت‌انگیزی دور از هسته گسترش یابد و اتم را بزرگ کند (بر اساس استانداردهای اتمی)، با الکترون برانگیخته‌شده به همان اندازه که می‌تواند بدون پرواز از آن خارج شود.

از آنجایی که اتم های ریدبرگ بسیار شل هستند، رفتار اغراق آمیزی دارند و آنها را برای انجام آزمایش ها مفید می کند.

برای هگل و همکارانش، این ویژگی‌ها راهی را برای مقابله با مشکلی که برای خود تعیین کرده بودند ارائه می‌کردند – ایجاد یک گربه شرودینگر نوری با دو حالت دورتر از آنچه قبلاً ممکن بود، در حالی که انسجام کوانتومی ظریف را حفظ می‌کرد.

به طور خاص، یکی از این رفتارهای اغراق آمیز این است که اتم های ریدبرگ چقدر با یکدیگر تعامل دارند. یک اتم را به حالت ریدبرگ برانگیخت و تأثیر آن می‌تواند از برانگیختگی مشابه اتم‌های مجاور جلوگیری کند – پدیده‌ای که به نام محاصره رایدبرگ شناخته می‌شود.

محققان از این انسداد برای ایجاد تعامل غیرمستقیم ذرات نور – فوتون ها استفاده کردند.

آنها با ابری از اتم‌ها که بین دو آینه به دام افتاده بودند شروع کردند که می‌توانستند به حالت‌های ریدبرگ برانگیخته شوند. آینه ها بارها و بارها نور را از طریق ابر منعکس می کردند و برهمکنش بین نور و اتم ها را افزایش می دادند. این آرایش به عنوان یک حفره نوری شناخته می شود.

در این تنظیم، محققان دو پالس نور را یکی پس از دیگری ارسال کردند. اولی «کنترل» بود که اساساً تعیین می کرد که برای دومی، «هدف» چه اتفاقی می افتد.

اینجاست که چیزها کوانتوم می شوند.

نور را می توان قطبی کرد، به این معنی که امواج الکترومغناطیسی آن می توانند در جهات مختلف جهت گیری شوند. نور کنترلی در برهم نهی دو قطبش تهیه شده بود – به جای اینکه قطعا یکی یا دیگری باشد، هر دو از نظر مکانیکی کوانتومی بود.

دستگاه این دو احتمال را در مسیرهای مختلف جدا کرد. یکی به سادگی در اطراف ابر اتمی سفر می کند. دیگری با اتم‌ها برهم‌کنش می‌کند و موقتاً اطلاعات کوانتومی خود را به‌عنوان یک برانگیختگی رایدبرگ پشت سر می‌گذارد – الکترونی که به حالت پرانرژی که قبلاً توضیح داده شد، حرکت می‌کند.

بنابراین، در برهم نهی، ابر اتمی هم حاوی تحریک ریدبرگ بود و هم نداشت.

سپس محققان نور مورد نظر را ارسال کردند.

اینجاست که محاصره رایدبرگ وارد عمل می شود. بسته به اینکه تحریک ذخیره شده وجود داشته باشد، نور هدف با ابر تعامل متفاوتی دارد. در یک احتمال از حفره با انحراف موج نسبت به دیگری برگشت.

از آنجایی که برانگیختگی ذخیره شده در برهم نهی حضور و غیاب بود، نور هدف هر دو احتمال را تجربه کرد. معلوم شد که برهم نهی دو حالت است که هر کدام با یکی از دو حالت کنترل مرتبط است.

بوم. یه بچه گربه هست

در این مورد دو احتمال زنده و مرده، یا متحجر و رقص نبودند، بلکه دو حالت نورانی بودند که امواج آنها در فاز متفاوت بودند. هر چه محققان بتوانند این دو حالت را از هم دورتر کنند و در عین حال آنها را از نظر مکانیکی کوانتومی به هم متصل نگه دارند، گربه نوری آنها بزرگتر می شد.

و این یکی خیلی کبود شد برای این گربه های نوری، اندازه آنها را می توان با استفاده از کمیتی به نام آلفا مربع (α²) بیان کرد. هگل و همکارانش به 2.4 رسیدند و از رکورد قبلی 1.4 برای این نوع خاص از شرایط گربه نوری فراتر رفتند.

اما ایجاد دو حالت مختلف نور کافی نیست – محققان همچنین باید نشان می‌دادند که انسجام کوانتومی حفظ شده است.

این تفاوت کلیدی بین گربه شرودینگر و دو حالت نوری است که فقط در اطراف آویزان هستند و به یکدیگر متصل نیستند.

محققان با انجام اندازه‌گیری‌های نوری فراوان، ردپایی از رفتار کوانتومی را در هر شش حالت گربه‌سانی که ایجاد کردند، یافتند – که تأیید می‌کند حتی با بزرگ‌تر شدن گربه‌ها، جنون کوانتومی زیربنایی خود را از دست نداده‌اند.

گربه های بزرگتر فقط برای عبور از مرز بین فیزیک کوانتومی و کلاسیک مفید نیستند. ایجاد دو حالت متفاوت با حفظ جفت کوانتومی آنها همچنین می تواند آنها را برای ذخیره و پردازش اطلاعات کوانتومی مفیدتر کند.

و محققان می گویند که کار آنها جایی برای یک دسر گربه باقی می گذارد. چندین بخش از این آزمایش هنوز هم قابل بهبود است، که می تواند امکان ایجاد گربه های بزرگتر را در آینده فراهم کند.

جایی بین قلمرو کوانتومی و کلاسیک، نقطه ای وجود دارد که در آن گربه شرودینگر باید رشد کند. دمیدن خز او ممکن است یکی از راه های پیدا کردن او باشد.

مقاله ای که هنوز مورد بررسی قرار نگرفته است در سرور preprint arXiv موجود است.