Natuurkundigen hebben geleerd hoe ze Schrödinger-katten in optica konden fokken. Wetenschappers hebben een methode getest die mogelijk superposities van klassieke lichttoestanden buiten de microscopische limieten kan versterken en kan helpen bij het bepalen van de grenzen tussen de kwantum- en klassieke werelden.

CIFAR Quantum Information Science Fellow Alexander Lvovsky leidde het team van wetenschappers van het Russische Quantum Center en de Universiteit van Calgary die een methode testten die mogelijk superposities van klassieke lichttoestanden voorbij microscopische limieten zou kunnen versterken en de grenzen tussen de kwantum- en klassieke werelden zou kunnen helpen bepalen.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurfotonica .

In 1935, De Duitse natuurkundige Erwin Schrödinger stelde een gedachte-experiment voor waarbij een kat, verborgen voor de waarnemer, bevindt zich in een superpositie van twee toestanden:het was zowel levend als dood. De kat van Schrödinger was bedoeld om te laten zien hoe radicaal de macroscopische wereld die we zien verschilt van de microscopische wereld die wordt beheerst door de wetten van de kwantumfysica.

Echter, de ontwikkeling van kwantumtechnologieën maakt het mogelijk om steeds complexere kwantumtoestanden te creëren, en Schrödingers gedachte-experiment lijkt niet langer te ver buiten bereik.

"Een van de fundamentele vragen van de natuurkunde is de grens tussen de kwantum- en de klassieke wereld. Kunnen kwantumverschijnselen, ideale omstandigheden, waargenomen worden in macroscopische objecten? De theorie geeft geen antwoord op deze vraag - misschien is er geen dergelijke grens. Wat we nodig hebben is een instrument dat het zal onderzoeken, " zegt Lvovsky, die professor is aan de Universiteit van Calgary en hoofd van het Quantum Optics Laboratory van het Russian Quantum Center, waar het experiment is opgezet.

Precies zo'n hulpmiddel wordt geleverd door de fysieke analoog van de Schrödinger-kat - een object in een kwantumsuperpositie van twee toestanden met tegengestelde eigenschappen. op het gebied van optica, dit is een superpositie van twee coherente lichtgolven waarbij de velden van de elektromagnetische golven tegelijk in twee tegengestelde richtingen wijzen. Tot nu, experimenten konden dergelijke superposities alleen verkrijgen bij kleine amplituden die het gebruik ervan beperken. De Lvovsky-groep voerde de procedure uit om dergelijke staten te "fokken", wat het mogelijk maakt om met meer succes optische "katten" met hogere amplitudes te verkrijgen.

Co-auteur en afgestudeerde student aan de Universiteit van Calgary, Anastasia Pushkina, legt uit:"Het idee van het experiment werd in 2003 voorgesteld door de groep van professor Timothy Ralph van de Universiteit van Queensland, Australië. In essentie, we veroorzaken interferentie van twee "katten" op een bundelsplitser. Dit leidt tot een verstrengelde toestand in de twee uitgangskanalen van die bundelsplitser. Op een van deze kanalen een speciale detector wordt geplaatst. Als deze detector een bepaald resultaat laat zien, een "kat" wordt geboren in de tweede uitgang waarvan de energie meer dan twee keer zo groot is als die van de eerste."

De Lvovsky-groep testte deze methode in het laboratorium. In het experiment, ze hebben met succes een paar negatief geperste "Schrodinger-katten" met amplitude 1,15 omgezet in een enkele positieve "kat" met amplitude 1,85. Ze genereerden enkele duizenden van dergelijke vergrote "katten" in hun experiment.

"Het is belangrijk dat de procedure kan worden herhaald:nieuwe 'katten' kunnen, beurtelings, worden overlapt op een bundelsplitser, het produceren van een met nog hogere energie, enzovoort. Dus, het is mogelijk om stap voor stap de grenzen van de kwantumwereld te verleggen, en uiteindelijk om te begrijpen of het een limiet heeft, " zegt de eerste auteur van de studie, een afgestudeerde student van het Russian Quantum Center en de Pedagogische Staatsuniversiteit van Moskou, Demid Sychev.

Dergelijke macroscopische "Schrodinger-katten" zouden toepassingen hebben in kwantumcommunicatie, teleportatie en cryptografie.