De zwaarste kat van Schrödinger werd bereikt door een klein kristal in een superpositie van twee oscillatietoestanden te plaatsen

Zelfs als je geen kwantumfysicus bent, heb je waarschijnlijk wel eens gehoord van de beroemde kat van Schrödinger. In een gedachte-experiment in 1935 bedacht Erwin Schrödinger katten die tegelijkertijd levend en dood konden zijn. De schijnbare tegenstelling – in het dagelijks leven zien we tenslotte alleen katten levend of dood – heeft wetenschappers ertoe aangezet om het te proberen om de situaties te begrijpen Vergelijkbaar in vitro. Tot nu toe hebben ze dit kunnen doen door bijvoorbeeld atomen of moleculen in kwantummechanische superpositietoestanden te gebruiken, waarbij ze zich op twee plaatsen tegelijk bevinden.

Bij ETH creëerde een team van onderzoekers onder leiding van Yiwen Chu, een professor in het Solid State Physics Laboratory, een dramatisch zwaardere Schrödinger-kat door een klein kristal in een superpositie van twee oscillatietoestanden te plaatsen. De resultaten zijn deze week gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappenzou kunnen leiden tot krachtigere qubits en licht werpen op het mysterie waarom kwantumsuperposities niet worden waargenomen in de macroscopische wereld.

kat in een doos

In het oorspronkelijke gedachte-experiment van Schrödinger zit een kat opgesloten in een metalen doos met radioactief materiaal, een geigerteller en een flesje gif. Binnen een bepaald tijdsbestek, bijvoorbeeld een uur, kan een atoom in materie al dan niet vervallen door een kwantummechanisch proces met een bepaalde waarschijnlijkheid, en de vervalproducten kunnen ervoor zorgen dat een Geigerteller explodeert en een mechanisme activeert dat het flesje met het gif dat uiteindelijk de kat zal doden.

Aangezien een externe waarnemer niet kan weten of het atoom daadwerkelijk is vervallen, weet hij ook niet of de kat levend of dood is – volgens de kwantummechanica, die het verval van een atoom regelt, moet het zich in een superpositie tussen leven en dood bevinden. (Het idee van Schrödinger wordt herdacht door een levensgrote kattenfiguur buiten zijn voormalige huis aan de Huttenstrasse 9 in Zürich.)

“Natuurlijk kunnen we in het laboratorium zo’n experiment niet uitvoeren met een echte kat die enkele kilo’s weegt”, zegt Zhou. In plaats daarvan slaagden zij en haar collega’s erin om een ​​zogenaamde kattoestand te creëren met behulp van een oscillerend kristal, dat de kat voorstelt, met een supergeleidend circuit dat het oorspronkelijke atoom vertegenwoordigt. Dit circuit is in wezen een qubit of qubit die de logische status “0” of “1” of een superpositie van beide statussen “0 + 1” kan aannemen.

De link tussen de qubit en de kristal “kat” is geen geigerteller en gif, maar eerder een laag piëzo-elektrisch materiaal dat een elektrisch veld creëert wanneer het kristal van vorm verandert terwijl het oscilleert. Dit elektrische veld kan worden gekoppeld aan het elektrische veld van de qubit, en zo kan de superpositietoestand van de qubit worden overgedragen op het kristal.

Gelijktijdige trillingen in tegengestelde richtingen

Hierdoor kan het kristal nu in twee richtingen tegelijk zwaaien, bijvoorbeeld omhoog/omlaag en omlaag/omhoog. Deze twee richtingen vertegenwoordigen de “levende” of “dode” toestand van de kat. “Door de twee oscillatietoestanden in het kristal te superponeren, hebben we in feite een Schrödinger’s kat van 16 microgram gemaakt”, legt Zhou uit. Dat is ongeveer de massa van een fijne zandkorrel en lang niet zo massief als een kat, maar het is nog steeds miljarden keren zwaarder dan een atoom of molecuul, waardoor het de dikste kwantumkat tot nu toe is.

Om ervoor te zorgen dat wiebelen echte kattentoestanden zijn, is het belangrijk dat ze met het blote oog kunnen worden onderscheiden. Dit betekent dat de scheiding tussen de “omhoog” en “omlaag” toestanden groter moet zijn dan eventuele thermische of kwantitatieve fluctuaties van de posities van de atomen in het kristal. Zhou en collega’s onderzochten dit door de ruimtelijke scheiding van de twee toestanden te meten met behulp van een supergeleidende qubit. Hoewel de gemeten scheiding slechts een miljardste van een miljardste van een meter was – in feite kleiner dan een atoom – was hij groot genoeg om de toestanden duidelijk te onderscheiden.

Meet kleine verstoringen met gevallen van katten

In de toekomst wil Chu de blokgrenzen van zijn kristallen katten nog verder verleggen. “Dit is interessant omdat het ons in staat zal stellen beter te begrijpen waarom kwantumeffecten verdwijnen in de macroscopische wereld van echte katten”, zegt ze.

Naast deze enigszins academische interesse zijn er ook potentiële toepassingen in kwantumtechnologieën. Quantuminformatie die is opgeslagen in qubits kan bijvoorbeeld robuuster worden gemaakt door kattoestanden te gebruiken die zijn samengesteld uit een groot aantal atomen in een kristal in plaats van te vertrouwen op enkele atomen of ionen, zoals momenteel wordt toegepast. Ook kan de extreme gevoeligheid van massieve objecten in superpositietoestanden voor externe ruis worden benut om nauwkeurige metingen te doen van kleine verstoringen zoals zwaartekrachtgolven of om donkere materie te detecteren.