2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Das Aussehen des Geräts: Gelb zeigt einen Resonator-Leser und ein künstliches Atom an, Lila - Alices Resonator, Orange - Bobs Resonator.
Physiker aus den USA und Frankreich haben den Zustand der "verwirrten" "Schrödinger-Katzen" durch die Kombination zweier gewöhnlicher Katzen in die Praxis umgesetzt. Wissenschaftler glauben, dass ihr Gerät die Grundlage für den Bau eines neuen Typs von Quantencomputern werden könnte. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Das Gedankenexperiment mit einer Katze, erfunden von Erwin Schrödinger, ist seit langem Gegenstand zahlreicher Experimente zur Erforschung der Quantensuperposition. Sogar ein spezieller Begriff wurde eingeführt - "der Zustand der Schrödinger-Katze". Sie werden insbesondere als Überlagerung kohärenter Zustände eines monomodalen quantenharmonischen Oszillators bezeichnet. In der Praxis ist ein solches System beispielsweise ein in einem optischen Resonator "eingeschlossenes" Photon. Es wurden Experimente sowohl für optische als auch für Mikrowellenphotonen durchgeführt, und ihre Zahl konnte einhundert erreichen.
Solche Quantensysteme können in der Quanteninformatik Anwendung finden und die Grundlage für den Bau von Quantencomputern werden. Eines der Hindernisse dafür ist derzeit die Skalierbarkeit - um ein ausreichend komplexes Computersystem zu bauen, müssen Sie die Anzahl seiner Elemente irgendwie erhöhen, während die Konnektivität (oder Kohärenz) zwischen ihnen aufrechterhalten wird.
Um komplexe Rechensysteme auf Basis der „Schrödingerschen Katzenzustände“zu realisieren, gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten. Im ersten von ihnen erhöhen Wissenschaftler die Anzahl der Moden (Wellen mit einer bestimmten Wellenlänge) im Resonator, im zweiten die Anzahl der Photonen derselben Energie.
In der neuen Arbeit kombinierten die Autoren beide Ansätze und schufen ein System aus zwei optischen Resonatoren mit unterschiedlichen Moden (die Wissenschaftler nannten sie Alice und Bob), die jeweils Photonen einer bestimmten Wellenlänge „herausfiltern“und die Photonen aus beide Resonatoren miteinander. Die Autoren sagen, dass eine solche neue "Katze" als zwei gewöhnliche, aber "verstrickte" ineinander dargestellt werden kann. Ein künstliches Atom, ein supraleitendes Bauelement mit Josephson-Übergang, kombiniert die Zustände in den Resonatoren. Ein solches Objekt hat eine ebene Energiestruktur wie bei gewöhnlichen Atomen, für die es einen solchen Namen erhielt.
Schematische Darstellung des Gerätes im Volumen (A) und in Projektion (B), die die volumetrischen Resonatoren Alice und Bob, ein künstliches Atom und einen Resonator-Reader zeigt.
Die Wissenschaftler nutzten drei mögliche Level-to-Level-Übergänge im künstlichen Atom, um die Resonatoren Alice, Bob und den Reader, der ebenfalls ein optischer Resonator ist, zu verbinden. Um die „Verschränkung“der Photonen in den Resonatoren nachzuweisen, maßen die Wissenschaftler die Parität der Photonenanzahl in jedem der Resonatoren. Nach der Theorie sollte bei Erhaltung der "Verschränkung" die Gesamtparität der Anzahl der Photonen in den beiden Resonatoren erhalten bleiben, während sie in jedem einzeln beliebige Werte annehmen kann. Die Autoren konnten nachweisen, dass ein solches Verhalten tatsächlich in ihrem Gerät implementiert ist. Wissenschaftlern zufolge kann die Architektur des Geräts in der Quanteninformatik und bei der Erstellung von Multi-Qubit-Systemen Anwendung finden.
"Schrödingers Katze" ist ein Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger, um die Unvollständigkeit der Quantenmechanik in Bezug auf Makroobjekte aufzuzeigen. Die Essenz des Experiments ist wie folgt: Eine Katze und ein Geigerzähler werden in eine versiegelte Kapsel gegeben. Der Zähler enthält eine kleine Menge radioaktiven Materials und eine Vorrichtung, die eine Ampulle Blausäure zerbricht, wenn der Zähler ausgelöst wird. Das heißt, wenn der Zähler ausgelöst wird, stirbt die Katze. Aber bis niemand in die Kamera geschaut hat (quantenmechanisch - eine "Messung" gemacht) bleibt unbekannt, ob in dieser Zeit irgendein Atom zerfallen ist, also ob die Katze lebt oder tot ist.
Aus quantenmechanischer Sicht befand er sich in einer Überlagerung dieser beiden Zustände. Aber ein makroskopisches Wesen kann nicht gleichzeitig lebendig und tot sein. Gleichzeitig hängt das Leben einer Katze direkt mit dem Zerfall eines Atoms zusammen, das ein Quantenobjekt ist und sich vor der Beobachtung in einer Überlagerung beider Zustände befinden muss. Diese Argumentation ermöglicht es uns zu zeigen, wie schwierig es ist, ein Experiment aufzubauen, das zwei Standpunkte trennt – ob sich ein Objekt vor der Messung in einer Überlagerung von Zuständen oder in einem bestimmten Zustand befindet.
