ارتدت نبضة ليزر ذرة روبيديوم ودخلت إلى عالم الكم - مع أخذ الفيزياء الغريبة لـ "قط شرودنغر". ثم قام شخص آخر بنفس الشيء. ثم آخر.
لم تنمو نبضات الليزر شعيرات أو مخالب. لكنهم أصبحوا مثل تجربة الفكر الكمومي الفيزيائية الشهيرة قطة شرودنغر بطريقة مهمة: لقد كانت كائنات كبيرة تتصرف مثل المخلوقات الميتة والحيوية للفيزياء دون الذرية - الموجودة في حالة من الفوضى بين حالتين متناقضتين متزامنتين. والمختبر في فنلندا حيث ولدوا ليس له حد لعدد الذين يمكنهم صنعه. نبض بعد تحول نبض إلى مخلوق من العالم الكمي. وهذه "القطط الكمومية" ، على الرغم من وجودها لجزء من الثانية فقط داخل الآلة التجريبية ، لديها القدرة على أن تكون خالدة.
وقال باستيان هاكر ، الباحث في معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية في ألمانيا ، الذي عمل في التجربة: "في تجربتنا ، تم إرسال الكاشف على الفور ، لذا تم تدميره فور إنشائه".
وقال هاكر لـ Live Science إن الأمر لم يكن بهذه الطريقة.
"يمكن لحالة بصرية أن تعيش إلى الأبد. لذلك إذا أرسلنا النبض إلى سماء الليل ، فيمكنها أن تعيش لمليارات السنين في حالتها."
وأضاف أن طول العمر هو جزء مما يجعل هذه النبضات مفيدة للغاية. يمكن لقط الليزر طويل العمر أن يتحمل السفر الطويل الأمد عبر الألياف الضوئية ، مما يجعله وحدة معلومات جيدة لشبكة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
قط الكم ، ميت وحي
ما الذي يعنيه صنع نبضة ليزر مثل قطة شرودنغر؟ بادئ ذي بدء ، لم تكن القطة حيوانًا أليفًا. كانت تجربة فكرية اقترحها الفيزيائي إروين شرودنغر في عام 1935 للإشارة إلى عدم معقولية فيزياء الكم التي اكتشفها هو وزملاؤه فقط.
إليك كيف تسير الأمور: تملي فيزياء الكم أنه في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يكون للجسيم صفتان متناقضتان في نفس الوقت. قد يكون دوران الجسيم (قياس كمي لا يبدو تمامًا مثل الغزل الذي نراه على المقياس الكلي) "أعلى" بينما يكون أيضًا "منخفضًا". فقط عندما يتم قياس دورانها ، ينهار الجسيم بطريقة أو بأخرى.
لدى الفيزيائيين تفسيرات عديدة لهذا السلوك ، لكن الأكثر شيوعًا (يسمى تفسير كوبنهاجن) يقول أن الجسيم ليس يدور أو يدور قبل أن يتم ملاحظته. حتى ذلك الحين ، إنها في نوع من العالم السفلي الغامض بين الدول ، وتقرر فقط واحدة أو أخرى عندما يضطرها مراقب خارجي.
لاحظ شرودنغر أن هذا كان له بعض الآثار الغريبة.
تخيل صندوقًا صلبًا معتمًا ، يحتوي على قطة وذرة وقارورة زجاجية محكمة الغلق من الغازات السامة. إذا تحللت الذرة (احتمال ، ولكن ليس شيء مؤكد ، بفضل ميكانيكا الكم) ، فإن آلية في الصندوق سوف تحطم الزجاج ، وتقتل القطة. إذا لم تتحلل الذرة ، فستعيش القطة. قال شرودنغر: اترك القطة في الصندوق لمدة ساعة ، وستنتهي القطة في "تراكب" بين الحياة والموت.
المشكلة في ذلك ، كما قال ، هو أنه لا معنى له على الإطلاق.
ومع ذلك ، أصبحت قطة شرودنغر نوعًا من الاختزال المفيد للأشياء ذات الحجم الكبير التي تخضع لقوانين الفيزياء الكلاسيكية ، ولكنها تتفاعل مع الأشياء الكمومية بحيث لا يكون لها سمة واحدة ولا أخرى تمامًا.
في التجربة الجديدة ، الموصوفة في ورقة نشرت في 14 يناير في مجلة Nature Photonics ، ابتكر الباحثون نبضات ليزر موجودة في تراكب بين حالتين كميتين محتملتين. وقد أطلقوا على النبضات الصغيرة "حالات القط البصري الطائرة".
لتصنيعها ، قاموا أولاً بحصر ذرة الروبيديوم في تجويف بين مرآتين بعرض 0.02 بوصة (0.5 ملم) فقط (حول عرض حبة ملح). يمكن أن تكون الذرة في إحدى الحالات الثلاث: حالتان "أرضيتان" أو حالة "متحمس". عندما دخل الضوء التجويف ، أصبح متشابكًا مع الذرة ، مما يعني أن حالته كانت مرتبطة بشكل أساسي بحالة الذرة.
بعد ذلك ، عندما ضرب نبض الضوء كاشف ضوئي ، كان لديه علامات واضحة على التداخل ، ولا يتصرف تمامًا كما لو كان متشابكًا مع نوع من الذرات أو آخر. كانت قطة طائرة مصنوعة من الضوء.
وقال هاكر إن هذا الفاصل بينهما يتعلق بموقع الموجات الضوئية. بعد إلقاء نظرة خاطفة على الذرة ، استمر الضوء في التحرك عبر الفضاء كموجة: التل والوادي والتل والوادي.
ولكن أصبح من غير المؤكد ما إذا كانت موجة الضوء في أي لحظة تصل إلى قمة تل أو تنزل إلى واد ، حسب قول هاكر لـ Live Science.
تصرف الضوء كما لو كان لديه موجتان مختلفتان على الأقل تتكونان ، كل منهما صورة مرآة للآخر.
(في الواقع ، يمكن أن يكون للضوء أشكال أكثر احتمالًا: كان لموجهه دائمًا فرصة على الأقل في احتلال كل نقطة بين قمة "تل" وأسفل "وادي". لكن موجتين من صور المرآة تمثل دولتين على الأرجح غير مؤكد.)
قال الباحثون إن هذه القدرة على إرسال القطط المتحركة من مكان إلى آخر يمكن أن تكون مفيدة للشبكات الكمومية في المستقبل. وقال هاكر إن ذلك يرجع إلى أن الشبكات الكمية ربما تعتمد على إرسال الضوء ذهابًا وإيابًا بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، بدلاً من الكهرباء.
وقال: "أسهل شيء يمكن إرساله هو الفوتونات المفردة ، ولكن عندما تضيع ، تختفي المعلومات التي تحملها". "تستطيع حالات Cat ترميز المعلومات الكمية بطريقة تسمح باكتشاف الفقد البصري وتصحيحها. على الرغم من أن كل إرسال بصري به خسائر ، يمكن إرسال المعلومات بشكل مثالي."
ومع ذلك ، لا يزال هناك عمل يجب القيام به. في حين أن الباحثين كانوا قادرين على إنشاء القطط "بشكل حتمي" ، مما يعني أن قطة ظهرت كلما أجروا تجربتهم ، فإن القطط لم تنجو دائمًا من الرحلة القصيرة إلى مستقبل الضوء. البصريات صعبة ، وأحيانًا يغمض الضوء قبل الوصول إلى هناك.
أيضًا ، قد يتساءل الشخص المعقول عما إذا كانت هذه النبضات الخفيفة تُعد حقًا كقطط شرودنغر. إنها بالتأكيد أشياء كلاسيكية - مما يعني أنها تتبع القوانين الحتمية للأجسام واسعة النطاق - لكن الباحثين اعترفوا في الورقة بأنه على مقياس من أربعة فوتونات فقط ، كان الليزر على حافة المقياس الماكروسكوبي والكمي ؛ وبالتالي يمكن القول أنها مجهرية تحت أوسع تعريفات فقط.
قال هاكر: "في الواقع ، القليل من الفوتونات ليست قريبة من جسم ماكروسكوبي حقيقي". "إن الهدف من النبضات الضوئية المتماسكة مثل تلك التي استخدمناها هو أنه يمكن توسيع السعة بشكل مستمر دون أي حد أساسي."
بكلمات أخرى ، بالتأكيد ، هذه بعض القطط الصغيرة. ولكن لا يوجد سبب لعدم إمكانية استخدام نفس الفكرة الأساسية لصنع بعض القطط العملاقة لشرودنغر.
لكن الباحثين كانوا واثقين في نهاية المطاف من استخدام هذا المصطلح ، و "حالة القطط الطائرة الضوئية" لها حلقة عليها.
