Stlačené kvantové kočky  
Mohl by to být název pro fantastický drink, zároveň je to ale výsledek průkopnických experimentů, v nichž se spojily Schrödingerovy kočky se stlačenými kvantovými stavy.

 

Iontová past použitá při výrobě stlačené kvantové kočky. Kredit: ETH Zürich.
Iontová past použitá při výrobě stlačené kvantové kočky. Kredit: ETH Zürich.

Kvantová fyzika přetéká fascinujícími fenomény. Mezi nimi se jako celebrita vyjímá kvantová Schrödingerova kočka, a jak je vidět, i na OSLU ji máme rádi. Jak jistě každý ví, tahle kvantová kočka je živá a mrtvá zároveň, neboť její život závisí na radioaktivním nuklidu ovládajícím svým rozpadem vypuštění jedovatého plynu. Nuklid se podle kvantové mechaniky nachází ve stavu superpozice a je buď rozpadlý anebo není a kočka je tudíž buď mrtvá anebo mrtvá není. Zjistíme to ale až ve chvíli, kdy krabici otevřeme a ověříme, v jakém stavu se nuklid a kočka nacházejí.

Excentrický Jonathan Home. Kredit: ETH Zürich.
Excentrický Jonathan Home. Kredit: ETH Zürich.


Méně sexy než Schrödingerova kočka, ale podobně pozoruhodné, jsou takzvané stlačené kvantové stavy (squeezed quantum states). Jde o to, že podle Heisenbergova principu neurčitosti v některých případech nemůžeme zároveň přesně určit hodnoty dvou vlastností, jako jsou poloha a hybnost částice ve kvantové fyzice. Příroda ale není tak nemilosrdná, jak by se zdálo a nabízí nám výměnný obchod. Jedna z veličin může být změřena přesněji, ale musíme za to zaplatit méně přesným změřením druhé veličiny. V takovém případě se mluví o stlačených kvantových stavech, vzhledem k tomu, že neurčitost jedné veličiny byla omezena, tedy stlačena.

Monumentální budovy ETH Zürich. Kredit: ETH Zürich.
Monumentální budovy ETH Zürich. Kredit: ETH Zürich.


V dnešní době jsou jak Schrödingerovy kočky, tak i stlačené kvantové stavy význačnými fenomény kvantové fyziky a zároveň jsou velmi slibné pro technologie blízké budoucnosti. Vědcům Spolkové vysoké technické školy v Curychu, kterým šéfoval experimentální kvantový optik a fotonik Jonathan Home, se teď povedlo spojit oba dva tyto fenomény do jediného experimentu. Když si dopřejeme kapku rozšafné vědecké nadsázky, světlo světa spatřily stlačené kvantové kočky.

Nejprve chytili elektricky nabitý ion vápníků do nepatrné klícky z elektrických polí. Pak ho laserovými paprsky zchladili natolik, aby se v klícce moc nehýbal. Přitom se vytasili s kvantovým stlačením a stlačili jeho vlnovou funkci. Díky kvantovému stlačení věděli s větší přesností, kde polapený ion vápníku v klícce vlastně je a obětovali za to informaci o jeho hybnosti. Nakonec ion vápníku opět ozářili laserovými paprsky, které ho mohou přinutit k pohybu „doprava“ anebo „doleva“.

Schrödingerova kočka. Ani živá, ani mrtvá. Kredit: Dhatfield / Wikimedia Commons.
Schrödingerova kočka. Ani živá, ani mrtvá. Kredit: Dhatfield / Wikimedia Commons.

Konkrétní směr pohybu přitom záleží na spinu, čili vnitřním momentu hybnosti daného atomu. Jenže tím vlastně vytvořili Schrödingerovu kočku, protože ion vápníku se ocitl v hybridním stavu, kdy je zároveň vpravo (kočka žije) a vlevo (kočka umřela). Ke zjištění jeho spinu by ho totiž bylo nutné změřit a v tu chvíli by se ukázalo, jak na tom ion vápníku vlastně je. Takže Home a spol. vyrobili stlačenou kvantovou kočku a hned to uveřejnili v časopisu Nature.

Výhodou stlačených kvantových koček je, že díky počátečnímu kvantovému stlačení lze velmi snadno rozlišit, jestli je ion vápníku „vpravo“ nebo „vlevo“. Jsou pak totiž asi šedesátkrát užší, nežli mezera, která tyto dva stavy odděluje. Také to jsou zatím největší reálně postavené Schrödingerovy kočky, což platí, i kdyby nebyly kvantově stlačené. Spokojený Home k tomu ještě dodává, že nejde jenom o vědecké rekordy. Ukazuje se, že stlačené kvantové kočky jsou velmi slušně odolné vůči některým typům narušení kvantového stavu. Díky tomu jsou velmi zajímavé pro vývoj kvantových počítačů a mohly by pomoci třeba i při ultrapřesných měřeních, které bývají zranitelné vůči vnějším vlivům.




Superpositions. Kredit: ETH Zürich.https://www.youtube.com/watch?v=qVpt-crg_Pc

Literatura
ETH Zürich 25. 5. 2015, Nature online 21. 5. 2015, Wikipedia (Schrödinger's cat, Uncertainty principle, Squeezed coherent state)

Datum: 09.06.2015
Tisk článku

Související články:

Náhrada kvantové tomografie     Autor: Martin Tůma (20.01.2014)
Kvantové zobrazování a duch Schrödingerovy kočky     Autor: Stanislav Mihulka (29.08.2014)
Vlnová funkce Schrödingerovy kočky     Autor: Stanislav Mihulka (09.02.2015)



Diskuze:

Superpozice

Pavel Krušina,2015-06-09 15:25:14

> Nuklid se podle kvantové mechaniky nachází ve stavu superpozice a je buď rozpadlý anebo není a kočka je tudíž buď mrtvá anebo mrtvá není.

Domnívám se, že ten popis superpozice není moc šťastný. Až do okamžiku měření je nuklid ve smíšeném stavu a kočka jakbysmet.

Odpovědět


Re: Superpozice

Tomas Habala,2015-06-09 23:27:39

Práveže je to jeden z mála článkov, kde je to napísané správne. Nuklid aj mačka sú až do merania v nedefinovanom stave. Vlnová funkcia odráža aktuálnu vedomosť pozorovateľa o výsledku budúceho merania daného parametra (či je mačka živá). No a tá vedomosť je, že mačka bude buď živá ALEBO mrtvá.

Treba mať na pamäti, že vlnová funkcia neopisuje aktuálny stav parametra, ktorý budeme merať, ale našu aktuálnu vedomosť o tom, ako to meranie parametra môže dopadnúť. Samotný parameter je zatiaľ jednoducho v nedefinovanom stave. Predpoklad, že vlnová funkcia opisuje reálny stav parametra a teda že superpozícia stavov je reálny jav, vedie k neprekonateľným paradoxom.

Odpovědět


Re: Re: Superpozice

Jaroslav Řezník,2015-06-10 11:53:22

Jsem laik, který rád čte populárně-vědecké knihy o těchto věcech a často jim nerozumím. Přesto - všude se tvrdí, že superpozice je reálný stav, ne nějaká vědomost pozorovatele. To by by potom nebyla žádná podivnost ale čistě technická záležitost. A superpozice by byla všude. Třeba já nevím, kdo je v sousedním domě - je tam soused nebo není? Buď je nebo není. Ale to si myslím není superpozice. Navíc jsem četl, že v okamžiku pozorování se celá minulost jakoby přepočítá, aby odpovídala okamžiku pozorování, náhodnému stavu. Tedy superpozice je tedy reálný stav a navíc, když se někdo podívá, tak to pozorování ovlivní i minulost. To je co jsem vyčetl.

Odpovědět


Re: Re: Re: Superpozice

Jaroslav Řezník,2015-06-10 12:01:51

A pokud je nedefinovaný stav realitou tak se podle mě rovná superpozici? Jaký je rozdíl? Nedefinovaný stav je snad ještě podivnější? Že něco vzniká z ničeho na základě pozorování?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Superpozice

Tomas Habala,2015-06-12 12:54:52

Nedefinovaný stav je realitou.

Keby sa elektrón nachádzal v definovanom stave, t.j. bol by záporne nabitá bodová častica čo lieta okolo kladne nabitého atómového jadra, bol by brzdený, v zlomku sekundy by stratil svoju energiu a dopadol by na jadro. To hovoria Maxwellove rovnice.

V skutočnosti sa to však nedeje, pretože elektrón sa nachádza v nedefinovanom stave, t.j. nemá aktuálnu polohu ani smer hybnosti. Nie je teda čo dosadiť do rovníc. Elektrón v nedefinovanom stave je pre Maxwellove rovnice neviditeľný, ako keď si Frodo v Pánovi prsteňov nasadil prsteň.

Ak by sme povedali, že elektrón je v superpozícii, v zmysle, že superpozícia je reálna, tak tvrdíme, že realitou je pravdepodobnosť. Jednoducho, stav keď sa napríklad elektrón nachádza aktuálne s 10% pravdepodobnosťou na mieste so súradnicami (x,y,z) je realita.

Ak povieme, že s 10% pravdepodobnosťou nameriame polohu elektrónu na mieste so súradnicami (x,y,z), to vieme čo znamená - znamená to, keď urobíme 100 meraní polohy elektrónu, 10 meraní bude s týmto výsledkom.

Čo však znamená ak pravdepodobnosť prehlásime za realitu? Že napríklad je tu 100 paralelných svetov, pričom v desiatich sa nachádza elektrón na danom mieste?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Superpozice

Martin Chabada,2015-06-14 13:24:23

"Čo však znamená ak pravdepodobnosť prehlásime za realitu? Že napríklad je tu 100 paralelných svetov, pričom v desiatich sa nachádza elektrón na danom mieste?"
Presne tak, k "multisvetovej" interpretacii sa priklana coraz viac fyzikov.
https://en.wikipedia.org/wiki/Many-worlds_interpretation#Polls

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace