En sammenfiltret atom-lys-tilstand realiserer et paradoksalt tankeeksperiment af Erwin Schrödinger

Et gammelt tankeeksperiment dukker nu op i et nyt lys. I 1935 formulerede Erwin Schrödinger et tankeeksperiment designet til at fange kvantefysikkens paradoksale natur. En gruppe forskere ledet af Gerhard Rempe, Direktør for afdelingen for kvantedynamik ved Max Planck Institute of Quantum Optics, har nu realiseret en optisk version af Schrödingers tankeeksperiment i laboratoriet. I dette tilfælde, pulser af laserlys spiller rollen som katten. Indsigten fra projektet åbner nye muligheder for forbedret kontrol af optiske tilstande, som i fremtiden kan bruges til kvantekommunikation.

"Ifølge Schrödingers idé, det er muligt for en mikroskopisk partikel, såsom et enkelt atom, at eksistere i to forskellige tilstande på én gang. Dette kaldes en superposition. I øvrigt, når en sådan partikel interagerer med et makroskopisk objekt, de kan blive "viklet ind", og det makroskopiske objekt kan ende i superpositionstilstand. Schrödinger foreslog eksemplet med en kat, som både kan være død og levende, afhængigt af, om et radioaktivt atom er henfaldet eller ej - en forestilling, der er i åbenlys konflikt med vores hverdagserfaring, " forklarer professor Rempe.

For at realisere dette filosofiske gedanken-eksperiment i laboratoriet, fysikere har henvendt sig til forskellige modelsystemer. Den implementerede i dette tilfælde følger et skema foreslået af teoretikerne Wang og Duan i 2005. Her, superpositionen af ​​to tilstande af en optisk puls tjener som katten. De eksperimentelle teknikker, der kræves for at implementere dette forslag – især en optisk resonator – er blevet udviklet i Rempes gruppe i løbet af de sidste par år.

En test for omfanget af kvantemekanik

Forskerne involveret i projektet var oprindeligt skeptiske over for, om det ville være muligt at generere og pålideligt detektere sådanne kvantemekanisk sammenfiltrede kattetilstande med den tilgængelige teknologi. Den største vanskelighed lå i behovet for at minimere optiske tab i deres eksperiment. Når dette var opnået, alle målinger blev fundet at bekræfte Schrödingers forudsigelse. Eksperimentet giver forskerne mulighed for at udforske anvendelsesområdet for kvantemekanik og at udvikle nye teknikker til kvantekommunikation.

Laboratoriet på Max Planck Instituttet i Garching er udstyret med alle de nødvendige værktøjer til at udføre state-of-the-art eksperimenter inden for kvanteoptik. Et vakuumkammer og højpræcisionslasere bruges til at isolere et enkelt atom og manipulere dets tilstand. Kernen i opsætningen er en optisk resonator, bestående af to spejle adskilt af en spalte kun 0,5 mm bred, hvor et atom kan fanges. En laserimpuls føres ind i resonatoren og reflekteres, og derved interagerer med atomet. Som resultat, det reflekterede lys bliver viklet ind i atomet. Ved at udføre en passende måling på atomet, den optiske puls kan forberedes i en superpositionstilstand, ligesom Schrödingers kat. Et særligt træk ved eksperimentet er, at de sammenfiltrede tilstande kan genereres deterministisk. Med andre ord, en kat tilstand produceres i hvert forsøg.

"Det er lykkedes os at skabe flyvende optiske kattetilstande, og demonstrerede, at de opfører sig i overensstemmelse med forudsigelserne fra kvantemekanikken. Disse resultater beviser, at vores metode til at skabe kattetilstande virker, og gav os mulighed for at udforske de væsentlige parametre, " siger ph.d.-studerende Stephan Welte.

En hel zoologisk have af stater til fremtidig kvantekommunikation

"I vores eksperimentelle opsætning, det er lykkedes os ikke kun at skabe en bestemt kattetilstand, men vilkårligt mange sådanne stater med forskellige superpositionsfaser – en hel zoologisk have, så at sige. Denne evne kan i fremtiden bruges til at kode kvanteinformation, " tilføjer Bastian Hacker.

"Schrödingers kat var oprindeligt indelukket i en boks for at undgå enhver interaktion med miljøet. Vores optiske kattetilstande er ikke indesluttet i en boks. De forplanter sig frit i rummet. Alligevel forbliver de isolerede fra miljøet og bevarer deres egenskaber over lange afstande. I i fremtiden kunne vi bruge denne teknologi til at konstruere kvantenetværk, hvor flyvende optiske kattetilstande overfører information, " siger Gerhard Rempe. Dette understreger betydningen af ​​hans gruppes seneste præstation.