Το νοητό πείραμα με τη γάτα του Schrödinger πιο κοντά στην πραγματοποίησή του

Από το περιοδικό Nature,  Οκτώβριος 2003

Αντικείμενα αρκετά μεγάλα ώστε να είναι ορατά με μικροσκόπιο, μπορούν να βρίσκονται σε δύο μέρη συγχρόνως.

Ο φυσικός Erwin Schrödinger έχει πει ότι η κβαντική θεωρία θα επέτρεπε σε μια γάτα να είναι συγχρόνως ζωντανή και νεκρή.

Τώρα μια ομάδα φυσικών δημοσίευσε τη "συνταγή" για να κάνουμε ένα μακροσκοπικό αντικείμενο - όχι βέβαια με το μέγεθος μιας γάτας, αλλά με το μέγεθος ενός βακτηριδίου - να βρεθεί σε μια τέτοια κβαντική διπλή κατάσταση. Ένας μικροσκοπικός καθρέφτης, όπως προτείνουν, μπορεί να βρεθεί σε δύο μέρη συγχρόνως. 

Οι επιστήμονες έχουν συμφιλιωθεί με τη δυνατότητα  αντικειμένων ατομικών διαστάσεων να πετυχαίνουν τέτοια κατορθώματα. Αλλά γενικά υποθέτουν ότι σε μεγαλύτερες κλίμακες, ένα φαινόμενο που λέγεται αποσυμβολή και προκαλεί την κατάργηση της κβαντικής υπέρθεσης, παρεμβαίνει και διαλύει την κβαντική παραδοξότητα, κάνοντας τα αντικείμενα να εντοπίζονται σε μια μόνο θέση. 

Ο William Marshall του πανεπιστημίου της Οξφόρδης και οι συνεργάτες του περιγράφουν ένα τρόπο να αποφύγουμε την αποσυμβολή και να πετύχουμε την κβαντική υπέρθεση καταστάσεων για ένα αντικείμενο που έχει 100 τρισεκατομμύρια άτομα περίπου. Αυτό είναι 1 δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερο από ότι έχει επιτευχθεί μέχρι τώρα. 

Δεν είναι η πρώτη πρόταση για να πετύχουμε κβαντικά φαινόμενα σ' ένα μεγάλο σύστημα. Αλλά σε αντίθεση με άλλες είναι η πρώτη εφικτή με την παρούσα τεχνολογία. Για παράδειγμα, καθρέφτες σαν αυτούς που χρειάστηκαν ο Marshall και οι συνεργάτες του, με διαστάσεις 10 χιλιοστά του χιλιοστομέτρου, περίπου στο μέγεθος ενός ερυθροκυττάρου, και να ζυγίζουν περίπου 5 δισεκατομμυριοστά του γραμμαρίου, μπορούν να κατασκευαστούν. 

Η κούνια της γάτας

Το σχέδιο είναι περίπου ως εξής: Ο μίνι καθρέφτης περασμένος στο άκρο ενός μικροσκοπικού βραχίονα είναι συνδεδεμένος με ένα συμβατικό κβαντικό αντικείμενο, δηλαδή ένα μεμονωμένο φωτόνιο, σε μια κβαντική υπέρθεση. Το φωτόνιο ανακλάται αλλεπάλληλες φορές μπρος-πίσω μεταξύ μεταξύ του μικροσκοπικού καθρέφτη και ενός πολύ μεγαλύτερου, κάνοντας τον μικροσκοπικό καθρέφτη να ταλαντώνεται πάνω στον βραχίονά του από ελατήριο. 

Κάτω από συνηθισμένες συνθήκες, κάτι τέτοιο θα έμοιαζε σα να προσπαθούσαμε να χρησιμοποιήσουμε την κίνηση των φτερών μια μύγας για να σπρώξουμε το πανί ενός γιωτ, κατά την διάρκεια μιας καταιγίδας. Αντίστοιχα, οι ταλαντώσεις του καθρέφτη από τη θερμότητα θα έπρεπε να επικαλύψουν κάθε επηρεασμό από το μεμονωμένο φωτόνιο. 

Οι ερευνητές προτείνουν να ηρεμήσουμε "το υπόβαθρο που δημιουργεί η καταιγίδα," ψύχοντας τη συσκευή σε θερμοκρασία λιγότερη από 2 χιλιοστά του ενός βαθμού Kelvin. Οι καθρέφτες θα πρέπει επίσης να βρίσκονται σε υψηλό κενό, ώστε να μην επηρεάζονται από συγκρούσεις με μόρια του αέρα.

Η επίτευξη της υπέρθεσης

Στο υποθετικό πείραμα, η ακτίνα φωτός περνάει από ένα διαχωριστή της δέσμης, ένα είδος ημικατόπτρου, το οποίο αφήνει μερικά φωτόνια να περάσουν, ενώ ανακλά κάποια άλλα. Κάθε φωτόνιο μπορεί να καταλήξει σε μια από τις δύο παραπάνω πορείες. Είναι όμως δυνατόν να ρυθμίσουμε τα πράγματα έτσι ώστε το φωτόνιο ν' ακολουθεί και τις δύο πορείες συγχρόνως, ευρισκόμενο σε μια κβαντική υπέρθεση καταστάσεων. Αυτή η υπέρθεση κάνει το φωτόνιο να συμβάλλει με τον εαυτόν του, ακριβώς όπως δύο δέσμες φωτός συμβάλλουν όταν περνούν από δύο σχισμές, δημιουργώντας κροσσούς συμβολής από φως και σκοτάδι εναλλάξ, ανάλογα με το αν στο συγκεκριμένο σημείο οι δέσμες συμβάλλουν ενισχυτικά ή ακυρώνει η μία την άλλη. 

Το φωτόνιο μπορεί να μεταδώσει την υπέρθεση και στον μικρό καθρέφτη, έτσι ώστε αυτός να βρίσκεται σε δύο θέσεις συγχρόνως. Όταν συμβαίνει αυτό, η συμβολή του φωτονίου με τον εαυτό του εξαφανίζεται. Οι ερευνητές υπολογίζουν ότι το σύστημα θα μεταβαίνει περιοδικά μεταξύ μιας υπέρθεσης των καταστάσεων του φωτονίου (στην οποία κάποιος θα μπορεί να ανιχνεύσει ένα σχηματισμό συμβολής) και μιας υπέρθεσης των καταστάσεων του καθρέφτη (για την οποία δεν έχουμε σχηματισμό συμβολής από το φωτόνιο.)