Max Planck Institute of Quantum Opticsin tutkijat ovat toteuttaneet Erwin Schrödingerin paradoksaalisen kissakoeidean, tällä kertaa käyttäen atomin ja valon lomittunutta tilaa. Siitä lähtien kun Schrödinger ehdotti "kissaparadoksia", fyysikot ovat pähkäilleet tapoja luoda tällaisia superpositiotiloja kokeellisesti.
Laitoksen johtaja Gerhard Rempen johtama tutkijaryhmä on nyt realisoinut laboratoriossa optisen version Schrödingerin kissasta. Tässä tapauksessa laservalon pulsseilla on kissan rooli. Hankkeesta saadut oivallukset avaavat uusia mahdollisuuksia optisten tilojen tehostetulle hallinnalle, mikä mahdollistaa sen käytön tulevaisuudessa kvanttiviestintään.
Jotta tämä filosofinen kokeilu voitaisiin toteuttaa laboratoriossa, fyysikot ovat tukeutuneet eri mallijärjestelmiin. Tällä kertaa toteutus seuraa teoreetikkojen Wangin ja Duanin vuoden 2005 ehdotusta. Tässä optisen pulssin kahden tilan superpositio toimii ”kissana”. Tämän ehdotuksen toteuttamiseksi kehitettiin vuosien mittaan erityinen optinen resonaattori.
Tutkijat olivat aluksi epäileviä siitä, olisiko mahdollista luoda ja luotettavasti havaita tällaiset kvanttimekaanisesti lomittuneet tilat käytettävissä olevan tekniikan avulla. Suurin vaikeus on tarve minimoida optiset häviöt kokeessa. Kun tästä oli päästy yli, kaikkien mittausten havaittiin vahvistavan Schrödingerin ennusteen. Kokeen avulla tutkijat voivat tutkia kvanttimekaniikan soveltamisen laajuutta ja kehittää uusia menetelmiä kvanttiviestintään.
Koerakennelman ytimessä on optinen resonaattori, joka koostuu kahdesta peilistä. Näiden välillä on 0,5 milliä leveä rako, johon atomi voidaan siepata. Laserpulssi syötetään resonaattoriin ja sen heijastellessa valopulssi on sitten vuorovaikutuksessa atomin kanssa. Tämän seurauksena heijastunut valo lomittuu atomin kanssa.
Suorittamalla sopiva mittaus atomille optinen pulssi voi tulla superposition tilaan, aivan kuten Schrödingerin kissa. Kokeilun eräs erityispiirre on se, että lomittuneet tilat voidaan muodostaa deterministisesti. Toisin sanoen, kissatila voidaan tuottaa joka kokeessa.
- Olemme onnistuneet tuottamaan lentäviä optisia kissatiloja ja osoittaneet, että ne käyttäytyvät kvanttimekaniikan ennusteiden mukaisesti. Nämä havainnot osoittavat, että menetelmä kissatilojen luomiseksi toimii ja antoi meille mahdollisuuden tutkia olennaisia parametreja, sanoo tohtoriopiskelija Stephan Welte.
- Kokeellisessa asennuksessamme emme ole onnistuneet luomaan vain yhtä tiettyä kissatilaa, vaan mielivaltaisesti monia sellaisia tiloja, joilla on erilaiset superposition vaiheet. Tätä kykyä voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää kvantti-informaation koodaamiseen”, lisää tohtorikoulutettava Bastian Hacker.
- Schrödingerin kissa on alkujaan suljettu laatikkoon, jotta vältettäisiin vuorovaikutus ympäristön kanssa. Meidän optiset kissatilamme eivät ole laatikossa. Ne etenevät vapaasti avaruudessa. Silti ne pysyvät eristyksissä ympäristöstä ja säilyttävät ominaisuutensa pitkilläkin matkoilla.
Tulevaisuudessa voisimme käyttää tätä teknologiaa kvanttiverkkojen rakentamiseen, joissa kulkevat optiset kissatilat välittävät tietoa, Gerhard Rempe sanoo. Tämä korostaa hänen ryhmänsä viimeisimmän saavutuksen merkitystä.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 25.1.2019
