Een oud gedachte-experiment verschijnt nu in een nieuw licht. In 1935 formuleerde Erwin Schrödinger een gedachte-experiment om de paradoxale aard van de kwantumfysica vast te leggen. Een groep onderzoekers onder leiding van Gerhard Rempe, Directeur van de afdeling Quantum Dynamics van het Max Planck Institute of Quantum Optics, heeft nu in het laboratorium een ​​optische versie van Schrödingers gedachte-experiment gerealiseerd. Op dit moment, pulsen van laserlicht spelen de rol van de kat. De inzichten die uit het project zijn verkregen, openen nieuwe perspectieven voor verbeterde controle van optische toestanden, die in de toekomst kunnen worden gebruikt voor kwantumcommunicatie.

"Volgens het idee van Schrödinger, het is mogelijk dat een microscopisch deeltje, zoals een enkel atoom, om in twee verschillende staten tegelijk te bestaan. Dit wordt een superpositie genoemd. Bovendien, wanneer zo'n deeltje interageert met een macroscopisch object, ze kunnen 'verstrikt' raken, en het macroscopische object kan in superpositie terechtkomen. Schrödinger stelde het voorbeeld van een kat voor, die zowel dood als levend kan zijn, afhankelijk van het al dan niet vervallen van een radioactief atoom - een idee dat duidelijk in strijd is met onze dagelijkse ervaring, " legt professor Rempe uit.

Om dit filosofische gedanken-experiment in het laboratorium te realiseren, natuurkundigen hebben zich tot verschillende modelsystemen gewend. De methode die in dit geval is geïmplementeerd, volgt een schema dat in 2005 is voorgesteld door de theoretici Wang en Duan. de superpositie van twee toestanden van een optische puls dient als de kat. De experimentele technieken die nodig zijn om dit voorstel uit te voeren – met name een optische resonator – zijn de afgelopen jaren ontwikkeld in de groep van Rempe.

Een test voor de reikwijdte van de kwantummechanica

De onderzoekers die bij het project betrokken waren, waren aanvankelijk sceptisch over de vraag of het mogelijk zou zijn om dergelijke kwantummechanisch verstrengelde kattentoestanden te genereren en betrouwbaar te detecteren met de beschikbare technologie. De grootste moeilijkheid lag in de noodzaak om optische verliezen in hun experiment te minimaliseren. Toen dit eenmaal was bereikt, alle metingen bleken de voorspelling van Schrödinger te bevestigen. Het experiment stelt de wetenschappers in staat om het toepassingsgebied van de kwantummechanica te verkennen en nieuwe technieken voor kwantumcommunicatie te ontwikkelen.

Het laboratorium van het Max Planck Instituut in Garching is uitgerust met alle tools die nodig zijn om state-of-the-art experimenten in de kwantumoptica uit te voeren. Een vacuümkamer en uiterst nauwkeurige lasers worden gebruikt om een ​​enkel atoom te isoleren en de toestand ervan te manipuleren. De kern van de opstelling is een optische resonator, bestaande uit twee spiegels gescheiden door een spleet van slechts 0,5 mm breed, waar een atoom kan worden opgesloten. Een laserpuls wordt in de resonator gevoerd en gereflecteerd, en interageert daardoor met het atoom. Als resultaat, het gereflecteerde licht raakt verstrikt met het atoom. Door een geschikte meting aan het atoom uit te voeren, de optische puls kan in een superpositietoestand worden voorbereid, net als die van Schrödingers kat. Een bijzonder kenmerk van het experiment is dat de verstrengelde toestanden deterministisch kunnen worden gegenereerd. Met andere woorden, bij elke proef wordt een kattentoestand geproduceerd.

"We zijn erin geslaagd vliegende optische katstaten te genereren, en toonden aan dat ze zich gedragen in overeenstemming met de voorspellingen van de kwantummechanica. Deze bevindingen bewijzen dat onze methode voor het creëren van kattentoestanden werkt, en stelde ons in staat om de essentiële parameters te verkennen, ", zegt promovendus Stephan Welte.

Een hele dierentuin van toestanden voor toekomstige kwantumcommunicatie

"In onze experimentele opstelling, we zijn er niet alleen in geslaagd om één specifieke kattenstaat te creëren, maar willekeurig veel van dergelijke staten met verschillende superpositiefasen – een hele dierentuin, bij wijze van spreken. Deze mogelijkheid zou in de toekomst kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie te coderen, ", voegt Bastian Hacker toe.

"De kat van Schrödinger was oorspronkelijk ingesloten in een doos om interactie met de omgeving te vermijden. Onze optische kattentoestanden zijn niet ingesloten in een doos. Ze planten zich vrij voort in de ruimte. Toch blijven ze geïsoleerd van de omgeving en behouden ze hun eigenschappen over lange afstanden. de toekomst zouden we deze technologie kunnen gebruiken om kwantumnetwerken te bouwen, waarin vliegende optische katstaten informatie doorgeven, ", zegt Gerhard Rempe. Dit onderstreept het belang van de laatste prestatie van zijn groep.