Fizikçiler, görünüşe göre Schrödinger'in kedisini 'beslemeyi' bırakamıyor. Teorik kedi, giderek büyüyor ve daha da tuhaf hale geliyor. Elbette bu gerçek anlamda değil; fizikçiler, kuantum durumlarını süperpozisyon halinde olabildiğince birbirinden uzaklaştırarak, kedinin artık Schrödinger'in kedisi olmaktan çıkacağı klasik fizik sınırına ne kadar yaklaşabileceklerini keşfetmeye çalışıyorlar.
Şimdi ise Almanya'daki bilim insanları, fizik literatüründeki en tuhaf atomlardan bazılarını kullanarak, ünlü düşünce deneyinin optik bir versiyonuyla rekor kırmayı başardı.
Fizikçi Hendrik Hegels liderliğindeki Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü ekibi, 'Rydberg atomu' olarak bilinen, aşırı derecede şişkin bir atom türünden yararlanarak, araştırmacıların 'dünya rekoru boyutları' olarak tanımladığı optik kedi durumları yarattı.
Ve kedi ne kadar büyürse, fizikçiler kuantum mekaniğinin en kalıcı gizemlerinden birini o kadar yakından inceleyebiliyor: Kuantum dünyası tam olarak nerede bitiyor ve bizim dünyamız nerede başlıyor?
Bu, derinlemesine kafa karıştıran bir sorun. Kuantum mekaniği, atom altı âlemin davranışlarını açıklamakta olağanüstü derecede doğrudur. Klasik fizik ise her gün yaşadığımız daha büyük âlemler için de aynı derecede mükemmel bir iş çıkarır. Ancak birinin kurallarını diğerine uygulamaya çalıştığınızda işler karışır. Bir yerde, kuantum alanının tuhaf 'belki'lerinin klasik 'kesinlikler'e dönüştüğü bir sınır olmalı – ancak bunun nasıl ve neden olduğu şu anda devasa bir soru işareti.
Schrödinger'in kedisi 1935'te bu tartışmaya dahil oldu – ancak aslında hiçbir zaman kediyle ilgili olmadı. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, düşünce deneyini, tuhaf kuantum süperpozisyon kavramının gündelik dünyaya uzatılması durumunda neler olabileceğini göstermek için tasarladı. Varsayımsal örneğinde, bir kedi, rastgele bir kuantum olayı tarafından tetiklenen ve onu öldürebilecek veya öldürmeyebilecek bir mekanizmayla kapalı bir kutuya konulur.
Kutu açılıp sonuç gözlemlenene kadar, kuantum mekaniği sistemi her iki olasılığın süperpozisyonu olarak tanımlar; kedi aynı anda hem canlı hem de ölüdür. Bu, 'tuhaf bir belki' örneğidir.
Kuantum âleminde süperpozisyon, evcil hayvanları içeren soyut bir absürtlük değil, yaratılıp ölçülebilen gerçek bir fenomendir. Bilim insanları, birbirinden oldukça farklı süperpozisyon durumları bile yaratabilirler. Fark ne kadar büyükse, ortaya çıkan Schrödinger kedi durumunun o kadar 'büyük' olduğu söylenir – burada bir olasılık fosilleşmiş bir iskelet iken diğerinin dans eden bir kedi olması gibi, sadece ölü ve canlı olmaktan ziyade.
Durumlar ne kadar uzaklaşırsa, kırılgan kuantum ilişkileri, 'dekoherans' olarak bilinen bir süreçle çevre ortamının müdahalesine karşı o kadar savunmasız hale gelir.
Ve şimdi sıra Rydberg atomunda.
Normal bir atomda, çekirdeğin etrafında küçük bir elektron sürüsü bulunur. Enerji eklendiğinde, bir elektron çekirdekten daha uzak, daha yüksek enerjili bir duruma atlayabilir ve atomu çok az genişletebilir. Rydberg atomu, bu elektronlardan birine, atoma bağlı kalmasını sağlayan koşullar altında çok fazla enerji verdiğinizde elde ettiğiniz şeydir. Yörüngesi çekirdekten şaşırtıcı derecede uzağa uzanabilir, atomu (atomik standartlara göre) devasa hale getirir ve uyarılmış elektron, uçup gitmeden olabildiğince gevşek bir şekilde bağlı kalır.
Bu kadar gevşek oldukları için, Rydberg atomları abartılı bir şekilde davranırlar, bu da onları deneyler yapmak için kullanışlı kılar.
Hegels ve meslektaşları için bu özellikler, kendilerine belirledikleri sorunu çözmek için bir yol sundu – daha önce mümkün olmayan, ancak hassas kuantum tutarlılığını koruyan iki durumu birbirinden daha uzak bir optik Schrödinger kedisi yaratmak.
Özellikle, bu abartılı davranışlardan biri, Rydberg atomlarının birbirleriyle ne kadar güçlü etkileşime girdiğidir. Bir atomu Rydberg durumuna uyardığınızda, etkisi yakındaki atomların benzer şekilde uyarılmasını engelleyebilir – bu 'Rydberg blokajı' olarak bilinen bir olgudur.
Araştırmacılar, bu blokajı, ışık parçacıklarının – fotonların – dolaylı olarak birbirini etkilemesini sağlamak için kullandılar. İki ayna arasına hapsedilmiş ve Rydberg durumlarına uyarılabilen bir atom bulutuyla başladılar. Aynalar, ışığı bulut boyunca tekrarlı bir şekilde yansıtarak, ışık ve atomlar arasındaki etkileşimi artırdı. Bu düzenek 'optik kavite' olarak bilinir.
Bu düzeneğe araştırmacılar, art arda iki ışık darbesi gönderdiler. İlki, ikincisinin ne olacağını belirleyen 'kontrol' darbesiydi, ikincisi ise 'hedef' darbesiydi. İşte burası kuantumlaşıyor.
Işık polarize edilebilir, yani elektromanyetik dalgaları farklı yönlerde yönlendirilebilir. Kontrol ışığı, iki polarizasyonun süperpozisyonunda hazırlandı – kesinlikle bir veya diğer olmak yerine, kuantum mekaniksel olarak her ikisiydi. Aparat bu iki olasılığı farklı yollara ayırdı. Biri atom bulutunun etrafından dolaştı. Diğeri atomlarla etkileşime girerek, kuantum bilgisini geçici olarak bir Rydberg uyarılması olarak geride bıraktı – daha önce açıklanan yüksek enerjili duruma yükselmiş bir elektron.
Dolayısıyla, süperpozisyonda, atom bulutu hem bu Rydberg uyarılmasını içeriyordu hem de içermiyordu.
Sonra araştırmacılar hedef ışığı gönderdiler. İşte burada Rydberg blokajı devreye giriyor. Hedef ışığı, saklanan uyarılmanın var olup olmamasına bağlı olarak bulutla farklı etkileşime girdi. Bir olasılıkta, dalga cephesi diğerine göre kaymış olarak kaviteden geri döndü.
Saklanan uyarılma var ve yok süperpozisyonunda olduğundan, hedef ışığı her iki olasılığı da deneyimledi. Sonunda, kontrolün iki durumuna bağlı olan iki durumun süperpozisyonuna girdi.
İşte size kedi!
Bu durumda, iki olasılık canlı ve ölü, ya da fosilleşmiş ve tap dansı yapan değil, faz farkları olan iki ışık durumu idi. Araştırmacılar bu iki durumu kuantum mekaniksel olarak birbirine bağlı tutarken ne kadar uzaklaştırabilirlerse, optik kedileri o kadar büyüdü.
Ve bu kedi oldukça 'chonky' oldu. Bu optik kediler için boyutları alfa kare (α²) adı verilen bir nicelikle ifade edilebilir. Hegels ve meslektaşları, bu özel türdeki optik kedi durumları için önceki 1.4 rekorunu geride bırakarak 2.4'e ulaştı.
Ancak sadece iki farklı ışık durumu üretmek yeterli değil – araştırmacılar ayrıca kuantum tutarlılığının korunmuş olduğunu da göstermek zorundaydılar. Bu, bir Schrödinger kedisi ile birbirleriyle ilgisiz iki ışık durumunun sadece takılmasının temel farkıdır.
Işığın birçok ölçümünü alarak, araştırmacılar yarattıkları altı kedi durumunda da kuantum davranışının belirleyici bir izini buldular – kediler büyürken bile temel kuantum tuhaflıklarını kaybetmediklerini doğrulayarak.
Daha büyük kediler sadece kuantum ve klasik fizik arasındaki sınırı zorlamak için faydalı değildir. İki durumlarını kuantum bağlantılarını korurken daha belirgin hale getirmek, kuantum bilgisi depolamak ve işlemek için de onları daha kullanışlı hale getirebilir.
Ve araştırmacılar, çalışmalarının kedi tatlısı için yer bıraktığını söylüyor. Deneyin birkaç kısmı hala geliştirilebilir, bu da gelecekte daha da büyük kedilerin yaratılmasına olanak tanıyabilir.
Kuantum ve klasik âlemler arasında bir yerlerde, Schrödinger kedisinin büyümesinin durmak zorunda olduğu bir nokta var. Tüylerini kabartmak, onu bulmanın bir yolu olabilir.
