En ağır Schrödinger’in kedisi, küçük bir kristalin iki salınım durumunun üst üste yerleştirilmesiyle elde edildi.

Kuantum fizikçisi olmasanız bile, muhtemelen Schrödinger’in ünlü kedisini duymuşsunuzdur. Erwin Schrödinger, 1935’te yaptığı bir düşünce deneyinde aynı anda hem canlı hem de ölü olabilen kedileri ortaya attı. Görünen çelişki – sonuçta, günlük hayatta kedileri sadece canlı ya da ölü görüyoruz – bilim adamlarını denemeye sevk etti. Benzer durumları in vitro olarak anlamlandırmak. Şimdiye kadar bunu, örneğin atomları veya molekülleri kuantum mekanik süperpozisyon durumlarında aynı anda iki yerde olma durumlarında kullanarak yapabildiler.

ETH’de, Katı Hal Fiziği Laboratuvarı’nda profesör olan Yiwen Chu liderliğindeki bir araştırma ekibi, küçük bir kristali iki salınım halinin süperpozisyonuna yerleştirerek çok daha ağır bir Schrödinger kedisi yarattı. Sonuçlar bu hafta dergide yayınlandı. Bilimlerdaha güçlü kübitlere yol açabilir ve makroskobik dünyada neden kuantum süperpozisyonlarının gözlemlenmediğinin gizemine ışık tutabilir.

bir kutudaki kedi

Schrödinger’in orijinal düşünce deneyinde bir kedi, içinde radyoaktif madde, bir Geiger sayacı ve bir şişe zehir bulunan metal bir kutunun içine kapatılır. Belirli bir zaman diliminde – örneğin bir saat – maddedeki bir atom, belirli bir olasılıkla kuantum mekaniği sürecinde bozunabilir veya bozulmayabilir ve bozunma ürünleri, bir Geiger sayacının patlamasına ve şişeyi parçalayan bir mekanizmayı tetiklemesine neden olabilir. sonunda kediyi öldürecek olan zehir.

Dışarıdan bir gözlemci atomun gerçekten bozunup bozulmadığını bilemediği için kedinin canlı mı ölü mü olduğunu da bilmez – bir atomun bozunmasını yöneten kuantum mekaniğine göre canlı/ölü süperpozisyon durumunda olmalıdır. (Schrödinger’in fikri, Zürih’teki Huttenstrasse 9’daki eski evinin önünde gerçek boyutlu bir kedi figürü ile anılıyor.)

Zhu, “Elbette, laboratuvarda birkaç kilo ağırlığındaki gerçek bir kediyle böyle bir deneyi gerçekleştiremeyiz” diyor. Bunun yerine, o ve meslektaşları, orijinal atomu temsil eden bir süper iletken devre ile kediyi temsil eden salınımlı bir kristal kullanarak sözde bir kedi durumu yaratmayı başardılar. Bu devre esasen “0” veya “1” mantıksal durumlarını veya her iki durumun bir süperpozisyonunu, “0 + 1” alabilen bir kübit veya kübittir.

Qubit ve kristal “kedi” arasındaki bağlantı bir Geiger sayacı ve zehir değil, kristal salındıkça şekil değiştirdiğinde bir elektrik alanı oluşturan bir piezoelektrik malzeme tabakasıdır. Bu elektrik alan, kübitin elektrik alanına bağlanabilir ve böylece kübitin süperpozisyon durumu kristale aktarılabilir.

Zıt yönlerde eşzamanlı titreşimler

Sonuç olarak, kristal artık aynı anda iki yönde sallanabilir – örneğin yukarı/aşağı ve aşağı/yukarı. Bu iki yön, kedinin “canlı” veya “ölü” durumunu temsil eder. Zhou, “Kristaldeki iki salınım durumunu üst üste bindirerek, etkili bir şekilde 16 mikrogramlık bir Schrödinger’in kedisi yarattık” diye açıklıyor Zhou. Bu, kabaca ince bir kum tanesinin kütlesidir ve hiçbir yerde bir kedi kadar ağır değildir, ancak yine de bir atom veya molekülden birkaç milyar kat daha ağırdır ve bu da onu şimdiye kadarki en şişman kuantum kedisi yapar.

Yalpalamaların gerçek kedi halleri olabilmesi için çıplak gözle ayırt edilebilmesi önemlidir. Bu, “yukarı” ve “aşağı” durumlar arasındaki ayrımın, kristal içindeki atomların konumlarındaki termal veya niceliksel dalgalanmalardan daha büyük olması gerektiği anlamına gelir. Zhou ve meslektaşları bunu, süper iletken bir kübit kullanarak iki durumun uzamsal ayrımını ölçerek incelediler. Ölçülen ayrım, metrenin milyarda birinin milyarda biri olmasına rağmen -aslında bir atomdan daha küçüktü- halleri açıkça ayırt edecek kadar büyüktü.

Kedi vakalarıyla küçük rahatsızlıkları ölçün

Gelecekte Chu, kristal kedilerinin blok sınırlarını daha da zorlamak istiyor. “Bu ilginç çünkü gerçek kedilerin makroskobik dünyasında kuantum etkilerinin neden ortadan kalktığını daha iyi anlamamızı sağlayacak” diyor.

Bu biraz akademik ilgiye ek olarak, kuantum teknolojilerinde potansiyel uygulamalar da var. Örneğin, kübitlerde depolanan kuantum bilgisi, şu anda uygulandığı gibi tek atomlara veya iyonlara güvenmek yerine bir kristaldeki çok sayıda atomdan oluşan kedi durumları kullanılarak daha sağlam hale getirilebilir. Ayrıca, süperpozisyon halindeki büyük nesnelerin dış gürültüye aşırı duyarlılığı, yerçekimi dalgaları gibi küçük düzensizliklerin hassas ölçümlerini yapmak veya karanlık maddeyi tespit etmek için kullanılabilir.