Er kan een manier zijn om een piek te sluipen bij Schrödinger's kat - het beroemde op katten gebaseerde gedachte-experiment dat het mysterieuze gedrag van subatomaire deeltjes beschrijft - zonder het (hypothetische) dier permanent te doden.
De ongelukkige, denkbeeldige kat is tegelijkertijd levend en dood in een doos, of bestaat in een superpositie van "dode" en "levende" staten, net zoals subatomaire deeltjes bestaan in een superpositie van vele staten tegelijk. Maar als je in de doos kijkt, verandert de toestand van de kat, die dan levend of dood wordt.
Nu echter, beschrijft een studie die op 1 oktober in het New Journal of Physics is gepubliceerd een manier om mogelijk naar de kat te kijken zonder hem te dwingen te leven of te sterven. Door dit te doen, bevordert het het begrip van wetenschappers van een van de meest fundamentele paradoxen in de natuurkunde.
In onze gewone, grootschalige wereld lijkt het kijken naar een object het niet te veranderen. Maar zoom voldoende in en dat is niet het geval.
"Normaal denken we dat de prijs die we betalen voor het kijken niets is", zegt hoofdauteur Holger F. Hofmann, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Hiroshima Universiteit in Japan. 'Dat klopt niet. Om te kunnen kijken, moet je licht hebben en licht verandert het object.' Dat komt omdat zelfs een enkel foton van licht energie overdraagt van of naar het object dat u bekijkt.
Hofmann en Kartik Patekar, destijds een gaststudent aan de Hiroshima Universiteit en nu aan het Indian Institute of Technology Bombay, vroegen zich af of er een manier was om te kijken zonder 'de prijs te betalen'. Ze kwamen terecht op een wiskundig raamwerk dat de initiële interactie (kijkend naar de kat) scheidt van de uitlezing (wetend of het levend of dood is).
"Onze belangrijkste drijfveer was om heel goed te kijken naar de manier waarop een kwantummeting plaatsvindt", zei Hofmann. 'En het belangrijkste is dat we de meting in twee stappen scheiden.'
Door dit te doen, kunnen Hoffman en Patekar aannemen dat alle fotonen die bij de eerste interactie betrokken zijn, of naar de kat kijken, worden vastgelegd zonder informatie over de toestand van de kat te verliezen. Dus voor het uitlezen is alles wat er te weten valt over de toestand van de kat (en over en hoe ernaar gekeken hem heeft veranderd) nog steeds beschikbaar. Pas als we de informatie voorlezen, verliezen we een deel ervan.
"Wat interessant is, is dat het uitleesproces een van de twee soorten informatie selecteert en de andere volledig wist", aldus Hofmann.
Hier is hoe ze hun werk beschreven in termen van Schrödinger's kat. Stel dat de kat nog steeds in de doos zit, maar in plaats van naar binnen te kijken om te bepalen of de kat leeft of dood is, zet je een camera buiten de doos op die op de een of andere manier een foto erin kan maken (omwille van het gedachte-experiment, negeer het feit dat fysieke camera's niet zo werken). Zodra de foto is gemaakt, heeft de camera twee soorten informatie: hoe de kat veranderde als gevolg van de gemaakte foto (wat de onderzoekers een quantum-tag noemen) en of de kat na de interactie leeft of dood is. Nog geen van die informatie is verloren gegaan. En afhankelijk van hoe je ervoor kiest om de afbeelding te "ontwikkelen", haal je de ene of de andere informatie op.
Denk aan een muntflip, vertelde Hofmann aan WordsSideKick.com. U kunt ervoor kiezen om te weten of een munt is omgedraaid of dat het momenteel kop of munt is. Maar je kunt ze niet allebei kennen. Bovendien, als u weet hoe een kwantumsysteem is veranderd en als die verandering omkeerbaar is, is het mogelijk om de oorspronkelijke staat te herstellen. (In het geval van de munt zou je hem terugdraaien.)
'Je moet altijd eerst het systeem verstoren, maar soms kun je het ongedaan maken', zei Hofmann. In termen van de kat zou dat betekenen dat je een foto maakt, maar in plaats van het te ontwikkelen om de kat duidelijk te zien, het zo te ontwikkelen dat de kat terugkeert naar zijn dode en levende limbo-toestand.
Cruciaal is dat de keuze van uitlezing gepaard gaat met een afweging tussen de resolutie van de meting en de verstoring, die precies gelijk zijn, demonstreert het artikel. De resolutie verwijst naar hoeveel informatie uit het kwantumsysteem wordt gehaald en de verstoring verwijst naar hoeveel het systeem onomkeerbaar verandert. Met andere woorden, hoe meer u weet over de huidige toestand van de kat, hoe meer u deze onherstelbaar heeft veranderd.
"Wat ik verrassend vond, is dat het vermogen om de storing ongedaan te maken rechtstreeks verband houdt met hoeveel informatie je krijgt over het waarneembare" of de fysieke hoeveelheid die ze meten, zei Hofmann. "De wiskunde is hier vrij precies."
Hoewel eerder werk heeft gewezen op een wisselwerking tussen resolutie en verstoring in een kwantummeting, is dit artikel het eerste dat de exacte relatie kwantificeert, vertelde Michael Hall, een theoretisch natuurkundige aan de Australian National University, WordsSideKick.com in een e-mail.
"Voor zover ik weet, hebben geen eerdere resultaten de vorm van een exacte gelijkheid wat betreft resolutie en verstoring", zei Hall, die niet betrokken was bij het onderzoek. 'Dit maakt de aanpak in de krant heel netjes.'
