Uusi tutkimus osoittaa, kuinka Schrödingerin kissan tilassa oleva valo voi aiheuttaa elektronisia superpositioita kiinteissä aineissa, avaten oven eksoottisille aineen olomuodoille ja mahdollisille edistysaskeleille kvanttitietokoneiden alalla.
Sisällysluettelo
Schrödingerin kissa on yksi niistä esimerkeistä, jotka ovat tulleet osaksi populaarikulttuuria osoittamaan kvanttifysiikan omituisuutta. Eläin on suljettu laatikkoon, elossa ja kuollut samanaikaisesti, kunnes joku tarkkailee sitä. Se, mikä syntyi paradoksina korostamaan kvanttimekaniikan absurdiutta arkielämässä, on muuttunut symboliksi. Sen kuvan voima on niin suuri, että lähes kaikki, jopa ilman tieteellistä koulutusta, tunnistavat sen.
Uudessa artikkelissa ryhmä tutkijoita ottaa askeleen, joka voi muuttaa tavan, jolla ymmärrämme materiaa: he osoittavat, kuinka erityinen valotyyppi, joka on valmistettu Schrödingerin kissan kaltaisessa kvanttitilassa, voi aiheuttaa superpositioita elektronisissa järjestelmissä. Kirjoittajat ilmaisevat asian selvästi: ”kissatilan valokentällä säteilemällä voidaan projisoida makroskooppisia superpositioita aineeseen”. Tämä ajatus antaa valolle aktiivisen ja luovan roolin, joka kykenee siirtämään kvanttiominaisuutensa kiinteän aineen elektroneihin.
Mieliparadoksista todelliseen kokeeseen
Kun Erwin Schrödinger esitti mieliparadoksinsa vuonna 1935, hän ei etsinyt kokeellista kaavaa, vaan halusi korostaa kvanttiformalismien outoutta. Hänen esimerkissään radioaktiivinen atomi saattoi hajoaa tai olla hajoamatta, ja tämä sattumanvaraisuus siirrettiin mekanismiin, joka päätti kissan kohtalosta. Ennen havainnointia eläin oli siis superpositio. Schrödingerin tavoitteena oli tuoda esiin, kuinka vaikeaa on hyväksyä vastakkaisten tilojen rinnakkaiselo jokapäiväisessä elämässä.
Nykyään termiä ”kissan tila” käytetään kuitenkin teknisesti kuvaamaan suuria kvanttisia superpositioita. Artikkelissa todetaan: ”kissan tila on kahden makroskooppisesti erottuvan tilan koherentti superpositio”. Tämä määritelmä osoittaa, kuinka metafora on muuttunut toiminnalliseksi käsitteeksi. Nyt emme puhu eläimistä, vaan elektronista, fotoneista tai kokonaisista materiaaleista, jotka voivat olla samanaikaisesti eri konfiguraatioissa.
Tämän työn merkittävin edistysaskel on se, että kissan tila ei ole enää rajoitettu valo- tai muutaman atomin järjestelmiin, vaan se on siirretty monien elektronien kiinteisiin aineisiin. Haaste on valtava, koska suurissa järjestelmissä esiintyy yleensä dekoherenssi, prosessi, joka tuhoaa superpositiot ja palauttaa järjestelmän klassiseen tilaan.
Valo kvanttisen energian välittäjänä
Artikkelin keskeinen ajatus on, että valo ei vain valaise tai viritä, vaan se voi myös siirtää kvanttiominaisuuksiaan aineeseen. Tätä varten tutkijat käyttävät eräänlaista päällekkäistä valokenttää, joka tunnetaan nimellä ”valon Schrödingerin kissan tila”. Tämä kenttä kykenee heijastamaan kaksoisluonteensa materiaalin elektroniin.
Kirjoittajat selittävät, että ”valon superpositioiden projisointi elektronijärjestelmiin mahdollistaa sellaisten tilojen valmistamisen, joihin ei päästä klassisella säteilyllä”. Toisin sanoen klassinen valo, kuten tavallinen laser, ei koskaan saavuttaisi tätä vaikutusta. Vain erityisessä kvanttitilassa oleva valo voi saada elektronit käyttäytymään epätavallisella tavalla.
Tämä mekanismi avaa täysin uuden näkymän. Tähän asti kvanttioptiikka on keskittynyt fotonien hallintaan, kun taas kondensoituneen aineen fysiikka on tutkinut elektroneja ja niiden faaseja. Tämä työ toimii sillana näiden kahden alan välillä ja osoittaa, että kvanttivalo voi tulla työkaluksi aineen valmistamiseen tiloissa, joita ei voida saavuttaa muilla keinoilla.
Makroskooppisen rajan ylittäminen
Superpositioiden siirtäminen makroskooppiseen maailmaan on tunnetusti vaikeaa. Suurissa järjestelmissä vuorovaikutus ympäristön kanssa tuhoaa koherenssin nopeasti. Siksi ehdotus siirtää kissan tilat valosta elektroneihin on niin rohkea.
Tutkijat huomauttavat, että avain on siinä, että valo sisältää jo superposition. Kun valo vuorovaikuttaa materiaalin kanssa, tämä kvanttitila heijastuu suoraan elektroniseen järjestelmään. Tuloksena on tila, jonka pitäisi periaatteessa säilyä riittävän kauan, jotta se voidaan mitata. Artikkelin mukaan ”kissatiloilla säteilytys tarjoaa keinon valmistaa vankkoja elektronisia superpositioita kiinteissä aineissa”.
Tämä on ratkaiseva seikka, koska se viittaa siihen, että kyseessä ei ole ohimenevä tai pelkästään teoreettinen ilmiö. Nykyisellä teknologialla se voitaisiin havaita todellisissa kokeissa. Jos se vahvistuu, se merkitsisi harppausta eteenpäin kyvyissä manipuloida kvanttitilassa olevia järjestelmiä, joissa on useita vapausasteita.
Mahdolliset sovellukset
Käsitteellisen saavutuksen lisäksi tällä tyyppisellä ohjauksella on käytännön merkitystä. Kvanttilaskennan alalla kissatiloja käytetään jo tietojen redundanttiin koodaamiseen, mikä auttaa korjaamaan virheitä. Jos elektroniset kissat voidaan indusoida kiinteisiin aineisiin, se voisi avata tien uusille, vakaammille ja melua kestävämmille kubitteille.
Artikkelissa ehdotetaan myös, että superpositioiden projisointia voitaisiin käyttää uusien elektronisten vaiheiden suunnittelussa. Tämä tarkoittaisi, että kyse ei olisi vain tunnettujen ilmiöiden toistamisesta, vaan valon indusoimien uusien aineen tilojen luomisesta. Tällainen eksoottinen aine olisi mahdotonta saavuttaa ilman valokentän kvanttista ainesosaa.
Toinen huomionarvoinen seikka on, että koska valon taajuutta, voimakkuutta ja polarisaatiota voidaan säätää, se tarjoaa erittäin monipuolisen hallinnan. Tämä mahdollistaisi laajan valikoiman kokoonpanojen ja materiaalien tutkimisen. Käytännössä kyseessä olisi uusi muoto ”kvanttimateriaalitekniikkaa”.
Kohti uutta kokeilujen aikakautta
Työ ei rajoitu abstraktin idean esittämiseen. Siinä kuvataan yksityiskohtaisesti konkreettisia tilanteita, joissa ilmiö voitaisiin todentaa, mukaan lukien materiaalit ja kokeelliset parametrit, jotka ovat edistyneiden laboratorioiden ulottuvilla. Kirjoittajat korostavat, että ”mallimme on suoraan toteutettavissa nykyisellä kvanttioptiikan ja elektroniikkajärjestelmien tekniikalla”.
Tämä saatavuus tekee tuloksesta vaikuttavan. Kyse ei ole vuosikymmenien odottamisesta, vaan siitä, että voimme nähdä kokeellisia esityksiä elektronisista kvanttikissoista jo lähivuosina. Tämä merkitsisi käännekohtaa valon ja aineen välisessä suhteessa.
Artikkelissa viitataan myös mahdollisuuteen laajentaa tätä strategiaa muihin kvanttijärjestelmiin, kuten kiinteiden aineiden värähtelyihin tai monimutkaisempiin kollektiivisiin tiloihin. Yleinen idea on selvä: käyttää kvanttivaloa katalyyttinä ilmiöille, jotka ovat tähän asti olleet ulottumattomissamme.
