Fizycy nakarmili kota Schrödingera atomami Rydberga. Osiągnęli nowy rekord

Elektron w atomie Rydberga krąży tak daleko od jądra, że cały atom przypomina mikroskopijny balon. Fot. Berndthaller, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Gdzie kończy się świat kwantów, a zaczyna nasza codzienność? Fizycy z Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka właśnie przesunęli tę granicę, tworząc optycznego „kota Schrödingera” rekordowych rozmiarów. Wykorzystali do tego jedne z najdziwniejszych atomów w znanym wszechświecie.

Kot, który urósł poza skalę

→ Czytaj też: Gdzie kończy się świat kwantowy, a zaczyna nasz? Fizyk wyjaśnia, czy Księżyc znika, gdy nikt nie patrzy

Eksperyment myślowy Erwina Schrödingera z 1935 roku miał unaocznić absurd mechaniki kwantowej. Kot zamknięty w pudełku z trucizną jest jednocześnie żywy i martwy - dopóki nie zajrzymy do środka. Dziś to nie abstrakcja, lecz realne zjawisko fizyczne. Naukowcy potrafią tworzyć superpozycje stanów, które są od siebie coraz bardziej odległe. Im większa różnica, tym „większy” kot.

Zespół kierowany przez Hendrika Hegelsa osiągnął właśnie wartość α² = 2,4, wyraźnie przebijając poprzedni rekord wynoszący 1,4 dla tego typu optycznych stanów kotowych. Nie chodziło jednak o sam wyścig liczb. „Większy kot pozwala dokładniej badać granicę między światem kwantowym a klasycznym” - tłumaczą badacze w swojej pracy.

Atomy jak balony

→ Czytaj też: Zaskakujące odkrycie w kamieniu z Iranu. Natura zrobiła to, czego fizycy nie potrafią

Sekret tkwi w atomach Rydberga. To atomy, w których jeden elektron otrzymał tak dużo energii, że jego orbita rozciąga się daleko od jądra. Powstaje struktura gigantyczna jak na standardy atomowe - elektron jest ledwo związany, a cały atom zachowuje się przesadnie, reagując gwałtownie na otoczenie.

Ta przesada okazała się kluczowa. Atomy Rydberga oddziałują ze sobą niezwykle silnie. Gdy jeden z nich zostanie wzbudzony, blokuje sąsiednie atomy przed podobnym wzbudzeniem. Zjawisko to, zwane blokadą Rydberga, pozwoliło fizykom zmusić cząstki światła - fotony - do wzajemnego wpływania na siebie, choć normalnie przechodzą przez siebie bez śladu.

Przepis na kwantowego kota

Eksperyment przypominał precyzyjną grę światłem. Badacze umieścili chmurę atomów między dwoma zwierciadłami, tworząc wnękę optyczną, gdzie światło odbijało się wielokrotnie, zwiększając interakcję z atomami. Następnie wysłali dwa impulsy laserowe: kontrolny i docelowy.

Światło kontrolne przygotowano w superpozycji dwóch polaryzacji. Jedna ścieżka omijała chmurę atomów. Druga wchodziła z nią w interakcję, pozostawiając informację kwantową w postaci wzbudzenia Rydberga. W efekcie chmura atomów równocześnie zawierała to wzbudzenie i go nie zawierała. Gdy nadszedł impuls docelowy, blokada Rydberga zadziałała wybiórczo - fala światła docelowego przesunęła się tylko w jednym z dwóch scenariuszy. Powstała superpozycja dwóch stanów światła o różnej fazie. Kot był gotowy.

Kluczowe było potwierdzenie, że to nie dwa niezależne stany, lecz prawdziwie kwantowy splot. Naukowcy wykonali serię pomiarów i we wszystkich sześciu wykreowanych stanach kotowych znaleźli charakterystyczny sygnał zachowania kwantowego. Im większy kot, tym trudniej utrzymać jego delikatną koherencję - a jednak się udało.

Po co nam gruby kot?

Rekordowe stany kotowe to nie tylko ciekawostka laboratoryjna. Pozwalają testować fundamentalne pytania: w którym momencie dziwactwa mechaniki kwantowej ustępują miejsca przewidywalnej fizyce klasycznej? Proces ten, zwany dekoherencją, odpowiada za przejście od „może” do „na pewno”. Im większy dystans między stanami w superpozycji, tym bliżej jesteśmy zaobserwowania tego przejścia w akcji.

Jest też strona praktyczna. Wyraźnie odseparowane stany kwantowe to lepsze kubity - podstawowe jednostki informacji w komputerach kwantowych. Techniki rozwinięte przez zespół Hegelsa mogą pomóc w budowie stabilniejszych bramek logicznych dla fotonowych maszyn przyszłości. Kot Schrödingera, zamiast straszyć paradoksem, zaczyna pracować na naszą korzyść.