Mikor "roppan össze" Schrödinger macskája?

A coloradói Boulderben lévő Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) kutatóinak sikerült mérésekkel kitapogatniuk a mikro- és a makrovilág között átvezető hidat, vagyis azt a mezsgyét, ahol a kvantumfizika hajmeresztő törvényei egyre inkább érvényüket vesztik, és Schrödinger macskája szerencsés vagy balvégzetű módon, de kiszabadul "kevert" állapotából.

A nevezetes macska Erwin Shrödinger osztrák fizikusnak, a kvantummechanika egyik megalkotójának elhíresült gondolatkísérletében szerepel. A tudós vele szemléltette a mikrovilágban uralkodó törvényeknek a hétköznapi szemlélet számára meghökkentő idegenszerűségét, azt, hogy a részecskék egyidejűleg több helyen, különféle állapotokban lehetnek. (Ezt a "kevert" állapotot nevezik a fizikusok kvantum-szuperpozíciónak: a részecske addig marad ebben, amíg valamilyen módon nem próbáljuk megállapítani, hogy valójában hol és milyen állapotban van. Mérés hatására viszont a szuperpozíció "összeroppan": a részecske egyértelműen a lehetséges állapotok egyikébe kerül.)



A nevezetes gondolatkísérletben dobozba zárnak egy macskát egy ciángázzal töltött fiolával, amely egy radioaktív atom bomlására megreped. Mivel azonban lehetetlen megmondani, hogy az atom pontosan mikor bomlik el, ezért az sem tudhatjuk egészen a doboz felnyitásáig, vajon a macska élő vagy holt-e, tehát - a kvantumfizika szóhasználatával élve - az állat az élő és a holt macska szuperpozíciójában van.

A fizikusok régóta töprengenek azon, vajon hol húzódik az a határ, ahol a kvantum-szuperpozíció mindenképpen összeroppan, azaz az egymással keveredő állapotok dekoherenssé válnak. 1996-ban ugyanez a boulderi kutatócsoport meglehetősen körmönfont kísérlettel mutatta ki egyetlen elkülönített atomról, hogy az egyidejűleg két állapot szuperpozíciójában van. Most, csaknem 4 évvel később, azt is sikerült kimérniük, hogy ez az állapot mikor válik dekoherenssé, azaz az atom mikor kerül egyértelműen a lehetséges állapotok egyikébe.

A kísérletben a kutatók berilliumionokat (egyik külső elektronjuktól megfosztott berilliumatomokat) különítettek el, és tartottak elektromágneses csapdában az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleten, külső energia és sugárzási forrásoktól elszigetelten. Így a centiméter milliomod részénél kisebb kiterjedésű térrészbe csaknem mozdulatlanul "odaszegezett" (hőmozgásában is korlátozott) ion csupán két lehetséges kvantumállapot közül "választhat": a legkülső pályán maradt egyetlen elektron mágneses momentuma "felfelé" vagy "lefelé" mutathat. A kvantumfizika törvényei szerint mindaddig, amíg az elektront valamilyen módon meg nem zavarjuk, az ion e két állapot fele-fele arányú "keverékében", koherens szuperpozíciójában van.

Ám minden valós rendszer - legyen az klasszikus vagy kvantumos - bizonyos mértékig kölcsönhatásban áll környezetével, az atomok véletlenszerűen viselkedő, "zajos" sokaságával, és ez a koherens szuperpozíciót előbb utóbb összeroppantja. A dekoherencia kialakulásához szükséges idő érzékenyen függ a rendszer méretétől: a környezettől alaposan elszigetelt egyes atomokat vagy fotonokat a fizikusok ma már viszonylag hosszú ideig (a jelen kísérletben mintegy százmilliomod másodpercig) képesek szuperponált állapotban tartani.

A NIST kutatói a mostani kísérletben a berilliumion szuperpozíciójának két, térbelileg eleinte csaknem teljesen átfedő összetevőjét külső elektromágneses tér alkalmazásával fokozatosan eltávolították egymástól, egészen az atomi átmérő tízszereséig növelve a köztük lévő távolságot. "Megfigyeltük, hogy a távolság növelésével párhuzamosan, a külső környezeti tényezők változásának hatására a szuperpozíció koherenciája exponenciális ütemben csökkent, mígnem összeroppant, és az ion az egyik lehetséges állapotba került" - mondta David J. Wineland, a kutatócsoport egyik tagja. A NIST kutatói így a világon elsőként, módszeresen, lépésről lépésre haladva szelték át azt a határt, amely a kvantumfizika világát makrovilágunktól elválasztja. Sőt, egy különleges trükkel sikerült a folyamatot megfordítaniuk is, azaz a határt ellenkező irányból átlépve a koherens szuperpozíciót visszaállítaniuk.

Az eredmény nem csupán elméleti szempontból fontos. A világ számos kutatólaboratóriumában dolgoznak a hagyományostól merőben eltérő módon működő, úgynevezett kvantumszámítógépek létrehozásán, amelyek az elemi logikai műveleteket részecskék koherens szuperpozícióin végeznék. Az egyik legfőbb gyakorlati akadály jelenleg éppen az, hogy a dekoherencia túl hamar bekövetkezik, széteső "bitekkel" (pontosabban: összeroppanó q-bitekkel) pedig nem működtethető a számítógép. A jelen kutatások ezért ebből a gyakorlati szempontból is alapvetően fontosak, hiszen így pontosan kitapogatható, hogy egy bizonyos mikrorendszer (részecske, atom vagy molekula) koherenciája meddig és hogyan tartható fenn.

(Élet és Tudomány)

Ajánló:

Az eredeti sajtóanyag a NIST honlapján. A New Scientist összeállítása. Gazdag magyar nyelvű háttéranyag.