تم تحقيق أثقل قط شرودنغر عن طريق وضع بلورة صغيرة في تراكب من حالتين من التذبذب

حتى لو لم تكن فيزيائيًا كميًا ، فمن المرجح أنك سمعت عن قط شرودنجر الشهير. توصل إروين شرودنغر إلى القطط التي يمكن أن تكون حية وميتة في نفس الوقت في تجربة فكرية في عام 1935. وقد دفع التناقض الواضح – بعد كل شيء ، في الحياة اليومية التي لا نرى فيها سوى قطط إما حية أو ميتة – العلماء إلى حاول أن تدرك مواقف مماثلة في المختبر. حتى الآن ، تمكنوا من القيام بذلك باستخدام ، على سبيل المثال ، الذرات أو الجزيئات في حالات التراكب الميكانيكي الكمومي للوجود في مكانين في نفس الوقت.

في ETH ، قام فريق من الباحثين بقيادة Yiwen Chu ، الأستاذ في مختبر فيزياء الحالة الصلبة ، بإنشاء قطة شرودنغر أثقل بشكل كبير عن طريق وضع بلورة صغيرة في تراكب من حالتين من التذبذب. النتائج التي تم نشرها هذا الأسبوع في المجلة علوم، يمكن أن يؤدي إلى مزيد من البتات الكمومية القوية ويلقي الضوء على لغز سبب عدم ملاحظة التراكبات الكمومية في العالم العياني.

قطة في صندوق

في تجربة شرودنجر الفكرية الأصلية ، يتم حبس قطة داخل صندوق معدني مع مادة مشعة ، وعداد جيجر وقارورة من السم. في إطار زمني معين – ساعة ، على سبيل المثال – قد تتحلل أو لا تتحلل ذرة في المادة من خلال عملية ميكانيكية كمومية باحتمالية معينة ، وقد تتسبب نواتج الاضمحلال في انفجار عداد جيجر وتشغيل آلية تحطم القارورة التي تحتوي على السم الذي سيقتل القطة في النهاية.

نظرًا لأن مراقبًا خارجيًا لا يمكنه معرفة ما إذا كانت الذرة قد تلاشت بالفعل ، فهو أيضًا لا يعرف ما إذا كانت القطة حية أم ميتة – وفقًا لميكانيكا الكم ، التي تحكم تحلل الذرة ، يجب أن تكون حية / ميتة حالة التراكب. (يتم إحياء ذكرى فكرة شرودنغر من خلال شخصية قطة بالحجم الطبيعي خارج منزله السابق في Huttenstrasse 9 في زيورخ).

يقول تشو: “بالطبع ، في المختبر لا يمكننا تحقيق مثل هذه التجربة مع قطة فعلية تزن عدة كيلوغرامات”. بدلاً من ذلك ، تمكنت هي وزملاؤها من إنشاء ما يسمى بحالة القط باستخدام بلورة متذبذبة ، تمثل القط ، مع دائرة فائقة التوصيل تمثل الذرة الأصلية. هذه الدائرة هي في الأساس بتة كمومية أو كيوبت يمكنها أن تأخذ الحالات المنطقية “0” أو “1” أو تراكب لكلتا الحالتين ، “0 + 1”.

إن الرابط بين الكيوبت و “القط” البلوري ليس عداد جايجر والسم ، ولكنه بالأحرى طبقة من مادة كهرضغطية تخلق مجالًا كهربائيًا عندما يتغير شكل البلورة أثناء التأرجح. يمكن أن يقترن هذا المجال الكهربائي بالمجال الكهربائي للكيوبت ، وبالتالي يمكن نقل حالة التراكب للكيوبت إلى البلورة.

اهتزازات متزامنة في اتجاهين متعاكسين

نتيجة لذلك ، يمكن أن تتأرجح البلورة الآن في اتجاهين في نفس الوقت – لأعلى / لأسفل ولأسفل / لأعلى ، على سبيل المثال. يمثل هذان الاتجاهان حالة القط “الحية” أو “الميتة”. يوضح تشو: “من خلال وضع حالتين من التذبذب في البلورة في تراكب ، نكون قد أنشأنا بشكل فعال قطة شرودنغر تزن 16 ميكروغرامًا”. هذه هي كتلة حبة الرمل الدقيقة تقريبًا ولا تقترب من كتلة القط ، لكنها لا تزال أثقل بمليارات المرات من الذرة أو الجزيء ، مما يجعلها أكثر قطط كمومية بدانة حتى الآن.

من أجل أن تكون حالات التذبذب حالات قطة حقيقية ، من المهم أن يتم تمييزها بالعين المجردة. هذا يعني أن الفصل بين حالات “الأعلى” و “الأسفل” يجب أن يكون أكبر من أي تقلبات حرارية أو كمية لمواقع الذرات داخل البلورة. فحصت تشو وزملاؤها هذا عن طريق قياس الفصل المكاني للحالتين باستخدام كيوبت فائق التوصيل. على الرغم من أن الفصل المُقاس كان فقط جزءًا من المليار من المليار من المتر – أصغر من الذرة ، في الواقع – كان كبيرًا بما يكفي لتمييز الحالات بوضوح.

قياس الاضطرابات الصغيرة مع حالات القطط

في المستقبل ، ترغب Chu في دفع حدود الكتلة لقططها الكريستالية إلى أبعد من ذلك. وتقول: “هذا مثير للاهتمام لأنه سيسمح لنا بفهم أفضل للسبب وراء اختفاء التأثيرات الكمية في العالم الماكروسكوب للقطط الحقيقية”.

بالإضافة إلى هذا الاهتمام الأكاديمي إلى حد ما ، هناك أيضًا تطبيقات محتملة في تقنيات الكم. على سبيل المثال ، يمكن جعل المعلومات الكمومية المخزنة في الكيوبتات أكثر قوة باستخدام حالات القط المكونة من عدد كبير من الذرات في بلورة بدلاً من الاعتماد على ذرات أو أيونات مفردة ، كما هو معمول به حاليًا. أيضًا ، يمكن استغلال الحساسية الشديدة للأجسام الضخمة في حالات التراكب للضوضاء الخارجية لإجراء قياسات دقيقة للاضطرابات الصغيرة مثل موجات الجاذبية أو لاكتشاف المادة المظلمة.