De beroemdste kat in de wetenschap is de kat van Schrödinger, het kwantummechanische zoogdier, die kan bestaan ​​in een superpositie, een staat die zowel levend als dood is. Op het moment dat je ernaar kijkt, een van beide opties wordt gekozen. Natuurkundigen van de Universiteit Leiden simuleerden een experiment om dit mysterieuze moment van keuze op heterdaad te vangen.

In de kwantummechanica, de fysica van de kleinste stukjes materie, dit moment van kiezen wordt de ineenstorting van de golf genoemd. In het journaal Natuurkunde Status Solidi B , Tom van der Reep, Tjerk Oosterkamp en andere natuurkundigen van de Universiteit Leiden en de Universiteit van Genève beschrijven hoe ze dit mysterieuze moment hopen te vangen met behulp van een kwantummechanische opstelling met fotonen van microgolven in de rol van de dood-en-levende kat.

"Superposities komen vrij veel voor in de kwantummechanica, " zegt Oosterkamp, 'maar in de macroscopische wereld waarin we leven, je ziet ze nooit." Een kat is levend of dood, niet beide. Volgens de algemeen aanvaarde Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica, dit komt doordat de superpositie verdwijnt zodra men een meting doet aan het foton (of de kat).

Instorting van de golffunctie

Oosterkamp vult aan:"Maar nergens in deze Kopenhagen-interpretatie er wordt uitgelegd hoe dit zou werken. Wat is precies "een meting"? Elk meetapparaat zal bestaan ​​uit atomen die gehoorzamen aan de wetten van de kwantummechanica, dus wat onderscheidt het meetproces? Is het de grootte van het meetapparaat? Zijn massa? Iets anders? Niemand weet het. Er zijn zelfs interpretaties waarbij een meting alleen plaatsvindt als deze wordt gedaan door een bewuste waarnemer, of waarin het heelal zich in verschillende varianten zou splitsen.

De Leidse natuurkundigen besloten de jacht op de ineenstorting te openen vanuit het perspectief van een zo eenvoudig mogelijke versterker. Ze beginnen met fotonen van microgolven, een vorm van licht, in een superpositie. In hun opstelling, de fotonen nemen zowel route A als route B.

Deze superpositie kan worden gedetecteerd door routes A en B opnieuw samen te voegen. De deeltjes interfereren met zichzelf, wat betekent dat ze alleen in een van de twee uitgangsrichtingen worden gedetecteerd. Als er geen superpositie is, en dus geen interferentie, de deeltjes zullen in beide richtingen naar buiten gaan. Tot dusver, dit is standaard kwantummechanische kost, bewezen in vele experimenten.

Lage temperaturen

De volgende stap is het invoeren van een meting. "Bij elke meting in een kwantummechanisch systeem, er is een versterkingselement, " zegt Oosterkamp, 'omdat je een klein signaal vertaalt naar een groter signaal. Dus misschien is deze versterkingsstap de oorzaak van het instorten van de golffunctie."

De natuurkundigen plaatsen dus een zogenaamde parametrische versterker in route A en B van hun opstelling. Dit is een type versterker die kwantummechanisch goed te beschrijven is, die is gebaseerd op een groot aantal supergeleidende Josephson-overgangen.

Voor deze, een ultrakoude temperatuur van 50 millikelvin nodig is, een twintigste van een graad Celsius boven het absolute nulpunt van -273, 15 graden Celsius. Dergelijke lage temperaturen zijn ook nodig om ervoor te zorgen dat het wegvallen van interferentie niet alleen wordt veroorzaakt door de hitte in de opstelling.

Rode handen

Het idee is om de versterking langzaam op te voeren, en kijk wat er met de interferentie gebeurt. In hun artikel, de natuurkundigen beschrijven hoe de ineenstorting van de golffunctie een 'meetbare afname' van de interferentie zou veroorzaken. Dus de opzet is een manier om de ineenstorting op heterdaad te betrappen.

“Als we daarin slagen, dat zou geweldig zijn, ", zegt Oosterkamp. "Natuurlijk, dan zou je de parameters willen aanpassen om te zien welke veranderingen het moment van instorten zullen beïnvloeden. Maar in dit stuk we laten zien dat het kan."

Quantumcomputers

Het papier was een rekenoefening, de opstelling wordt nu gebouwd. De groep van Oosterkamp heeft de juiste koelmachines om de experimenten uit te voeren, maar het wordt een hele klus om de nodige parametrische versterkers te ontwikkelen die een hoge versterking koppelen aan een zeer lage warmteproductie.

Het experiment is een samenwerking met collega Alessandro Bruno, die het bedrijf QuantWare begon, die deze versterkers produceert voor toekomstige kwantumcomputers. "Hopelijk, testen zullen aantonen dat de versterkers koud genoeg blijven, " zegt Oosterkamp. "Dan, we kunnen echt hopen deze experimenten uit te voeren."