Een laserpuls stuiterde tegen een rubidiumatoom en kwam de kwantumwereld binnen - waarbij hij de vreemde fysica van 'Schrödinger's kat' overnam. Vervolgens deed een ander hetzelfde. Dan een andere.
De laserpulsen groeiden niet met snorharen of poten. Maar ze werden op een belangrijke manier als het beroemde kwantumfysische gedachte-experiment Schrödinger's kat: het waren grote objecten die zich gedroegen als de gelijktijdig dood en levend wezen van de subatomaire fysica - die in een limbo bestond tussen twee gelijktijdige, tegenstrijdige toestanden. En het laboratorium in Finland waar ze werden geboren, had geen limiet aan het aantal dat ze konden maken. Puls na puls veranderde in een wezen van de kwantumwereld. En die 'kwantumkatten', hoewel ze maar een fractie van een seconde in de experimentele machine bestonden, hadden het potentieel onsterfelijk te zijn.
"In ons experiment werd het onmiddellijk naar de detector gestuurd, dus het werd direct na de creatie vernietigd", zegt Bastian Hacker, een onderzoeker aan het Max Planck Institute of Quantum Optics in Duitsland, die aan het experiment heeft gewerkt.
Maar zo hoefde het niet te zijn, vertelde Hacker aan WordsSideKick.com.
'Een optische staat kan eeuwig leven. Dus als we de pols de nachtelijke hemel in hadden gestuurd, zou hij miljarden jaren in zijn staat kunnen leven.'
Die lange levensduur maakt deel uit van wat deze pulsen zo nuttig maakt, voegde hij eraan toe. Een langlevende laserkat kan lange reizen door een optische vezel overleven, waardoor het een goede informatie-eenheid is voor een netwerk van kwantumcomputers.
Quantum cat, dood en levend
Dus wat betekent het om een laserpuls te maken zoals de kat van Schrödinger? Allereerst was de kat geen huisdier. Het was een gedachte-experiment dat natuurkundige Erwin Schrödinger in 1935 voorstelde om te wijzen op de pure onredelijkheid van de kwantumfysica die hij en zijn collega's toen nog maar net ontdekten.
Hier is hoe het gaat: de kwantumfysica schrijft voor dat een deeltje onder bepaalde omstandigheden tegelijkertijd twee tegenstrijdige eigenschappen kan hebben. De spin van een deeltje (een kwantummeting die niet helemaal lijkt op het draaien dat we op de macroschaal zien) is mogelijk "omhoog" en ook "omlaag". Alleen wanneer de spin wordt gemeten, klapt het deeltje op de een of andere manier in.
Natuurkundigen hebben verschillende interpretaties van dit gedrag, maar de meest populaire (de Kopenhagen-interpretatie genoemd) zegt dat het deeltje niet echt omhoog of omlaag draait voordat het wordt waargenomen. Tot die tijd bevindt het zich in een soort wazige onderwereld tussen staten en beslist het alleen over het een of het ander wanneer het wordt gedwongen door een externe waarnemer.
Schrödinger merkte op dat dit bizarre implicaties had.
Hij stelde zich een ondoorzichtige stalen doos voor, met daarin een kat, een atoom en een afgesloten glazen flacon met gifgas. Als het atoom zou vervallen (een mogelijkheid, maar niet zeker, dankzij de kwantummechanica), zou een mechanisme in de doos het glas verbrijzelen en de kat doden. Als het atoom niet zou vergaan, zou de kat leven. Laat de kat een uur in de doos zitten, zei Schrödinger, en de kat zou eindigen in een "superpositie" tussen leven en dood.
Het probleem daarmee, meende hij, is dat het helemaal nergens op slaat.
En toch is de kat van Schrödinger een soort nuttige afkorting geworden voor dingen op macroschaal die de wetten van de klassieke natuurkunde gehoorzamen, maar die zo in wisselwerking staan met kwantumobjecten dat ze niet helemaal één eigenschap hebben, maar ook geen andere.
In het nieuwe experiment, beschreven in een paper dat op 14 januari in het tijdschrift Nature Photonics werd gepubliceerd, creëerden onderzoekers laserpulsen die zich in superpositie bevinden tussen twee mogelijke kwantumtoestanden. Ze noemden de kleine pulsen 'vliegende optische kattenstaten'.
Om ze te maken, beperkten ze eerst het rubidiumatoom tot een holte tussen twee spiegels van slechts 0,02 inch (0,5 millimeter) breed (ongeveer de breedte van een zoutkorrel). Het atoom kan in een van de drie toestanden zijn: twee 'grond'-toestanden of een' opgewonden 'toestand. Toen het licht de holte binnenkwam, raakte het verstrikt in het atoom, wat betekent dat de toestand ervan fundamenteel verbonden was met de toestand van het atoom.
Toen de lichtpuls vervolgens een lichtdetector trof, vertoonde het veelbetekenende tekenen van tusseninstandigheid, en werkte het ook niet helemaal alsof het verstrikt was in een of ander soort atoom. Het was een vliegende kat gemaakt van licht.
Die tussenruimte had te maken met de positie van de lichtgolven, zei Hacker. Na van het atoom af te hebben gekeken, bleef het licht als een golf door de ruimte bewegen: heuvel en dal, heuvel en dal.
Maar het werd onzeker of de lichtgolf op een bepaald moment de top van een heuvel bereikte of afdaalde in een vallei, vertelde Hacker aan WordsSideKick.com.
Het licht deed alsof het uit ten minste twee verschillende golven bestond, elk een spiegelbeeld van de ander.
(In werkelijkheid zou het licht nog meer mogelijke vormen kunnen hebben: zijn golf had altijd minstens een kans om elk punt tussen de top van een "heuvel" en de bodem van een "vallei" in te nemen. Maar twee spiegelbeeldgolven vertegenwoordigden de twee waarschijnlijk onzekere staten.)
De onderzoekers zeiden dat dit vermogen om bewegende katten van de ene plaats naar de andere te sturen, later nuttig zou kunnen zijn voor kwantumnetwerken. Dat komt omdat quantumnetwerken waarschijnlijk afhankelijk zijn van het heen en weer sturen van licht tussen quantumcomputers, zei Hacker, in plaats van elektriciteit.
'Het gemakkelijkst te verzenden zijn losse fotonen, maar als ze verdwaald zijn, is hun vervoerde informatie verdwenen', zei hij. "Cat-staten kunnen kwantuminformatie coderen op een manier die optisch verlies kan detecteren en corrigeren. Hoewel elke optische transmissie verliezen heeft, kan de informatie perfect worden verzonden."
Dat gezegd hebbende, er is nog werk aan de winkel. Hoewel de onderzoekers de katten 'deterministisch' konden maken, wat betekent dat er een kat tevoorschijn kwam wanneer ze hun experiment uitvoerden, overleefden de katten niet altijd de korte trip naar de lichtontvanger. Optica is lastig en soms knipoogde het licht voordat het daar kwam.
Ook kan een redelijk persoon zich afvragen of deze lichtpulsen echt gelden als Schrödinger's katten. Het zijn zeker klassieke objecten - wat betekent dat ze de deterministische wetten van grootschalige objecten volgen - maar de onderzoekers erkenden in het artikel dat de laser op een schaal van slechts vier fotonen op de rand van macroscopische en kwantumschaal stond; en dus zouden ze macroscopisch kunnen zijn onder alleen de breedste definities.
'Inderdaad, weinig fotonen zijn niet in de buurt van een realistisch macroscopisch object', zei Hacker. "Het punt van coherente optische pulsen zoals die we gebruikten, is dat de amplitude continu kan worden opgeschaald zonder enige fundamentele limiet."
Met andere woorden, dit zijn enkele kleine katten. Maar er is geen reden waarom hetzelfde basisidee niet zou kunnen worden gebruikt om gigantische Schrödinger-katten te maken.
Maar de onderzoekers hadden er uiteindelijk alle vertrouwen in dat ze de term gebruikten, en 'optisch vliegende kattenstaat' heeft er wel iets van.
