Kot Schrödingera? To już przeszłość, teraz mamy coś znacznie dziwniejszego

Pamiętam doskonale moment, kiedy pierwszy raz usłyszałem o kocie Schrödingera. Miałem wtedy może piętnaście lat i pomyślałem sobie: "O co chodzi? To jest po prostu głupie". Kot, który jest jednocześnie żywy i martwy, dopóki ktoś nie otworzy pudła? Serio? Fizyka wygląda inaczej, prawda?

No i tutaj jest haczyk — fizycy nie wymyślili tego eksperymentu myślowego po to, żeby drażnić ludzi. Chcieli wytłumaczyć jedną z najbardziej karkołomnych koncepcji mechaniki kwantowej: fakt, że malutkie cząstki mogą znajdować się w wielu stanach naraz. Trochę jakby jednocześnie były w dwóch miejscach albo miały dwie właściwości naraz — dopóki ktoś ich nie zmierzy.

Klasyczny eksperyment, klasyczne wyjaśnienie

Dla tych, którzy potrzebują odświeżenia (albo nigdy tego nie mieli — nie ma wstydu):

Austryjak Erwin Schrödinger zaproponował umieszczenie kota w szczelnym pudle z atomem promieniotwórczym, licznikiem Geigera i buteleczką trucizny. Jeśli atom się rozpadnie, licznik uruchamia mechanizm, który rozbija buteleczkę — i wiadomo, co dzieje się z kotem. Jeśli atom się nie rozpadnie, futrzak żyje dalej.

Kwantowa dziwność pojawia się tutaj dlatego, że dopóki nie otworzymy pudła, nie wiemy, który scenariusz się ziścił. Z naszego punktu widzenia kot istnieje więc w superpozycji obu stanów — żywy I martwy jednocześnie. Dopiero gdy zaglądamy do środka, rzeczywistość "decyduje" się na jedną opcję.

To nigdy nie miał być prawdziwy eksperyment. Sam Schrödinger użył tego przykładu po to, by pokazać, jak bardzo absurdalna staje się mechanika kwantowa, gdy przechodzimy od malutkich cząstek do zwykłych przedmiotów. Nikt nigdy nie planował zamykać kotów w pudłach. (Uff.)

A teraz robi się naprawdę interesująco

Przez dziesięciolecia fizycy podejrzewali, że superpozycje mogą być znacznie bardziej skomplikowane niż tylko "dwa przeciwstawne stany naraz". Problem polegał na tym, że faktyczne tworzenie takich złożonych stanów w laboratorium było niezwykle trudne.

Do teraz.

Zespół z Uniwersytetu Oksfordzkiego opublikował badania, które dosłownie powaliły mnie na kolana. Naukowcy ci zdołali stworzyć coś, co można nazwać "egzotycznymi" superpozycjami kwantowymi — nowe odmiany stanów kota Schrödingera, które nie mieszczą się w prostym modelu zero-jedynkowym, z którym do tej pory pracowaliśmy.

Jak tego dokonali? Uwięzili pojedynczy jon strontu-88 (bo oczywiście — fizycy kwantowi uwielbiają egzotyczne pierwiastki) i wykonali niewiarygodnie precyzyjne manipulacje. Kontrolowali zarówno wewnętrzny stan kwantowy jony (tzw. spin, czyli coś w rodzaju maleńkiej właściwości magnetycznej), jak i jego ruch w pułapce.

Pomyślcie o tym tak: wcześniej mogliśmy tworzyć superpozycje tylko dwóch przeciwstawnych stanów. Jak włącznik światła — albo włączony, albo wyłączony. Ale to, co zrobił zespół z Oksfordu, jest jakby stworzeniem kwantowego włącznika, który może być jednocześnie włączony, wyłączony, częściowo włączony, migający w określonym wzorze ORAZ w kilku innych konfiguracjach, dla których nawet nie mamy jeszcze nazw.

Główny badacz, Sebastian Saner, powiedział to tak: dysponują teraz "narzędziem do rzeźbienia superpozycji kwantowych w niemal dowolny kształt". Dowolny kształt. To nie jest małe twierdzenie.

Dlaczego powinno was to obchodzić?

Wiem, o czym teraz myślicie — brzmi fascynująco dla zapaleńców fizyki, ale co z tego wynika dla zwykłych ludzi?

Otóż może być bardzo dużo. Żyjemy w czasach, gdy dopiero zaczynamy budować komputery kwantowe, które mogą zrewolucjonizować dosłownie wszystko: od odkrywania nowych leków, przez modelowanie klimatu, aż po łamanie szyfrów. Problem polega na tym, że te maszyny są niewiarygodnie delikatne i podatne na błędy.

Nasze obecne komputery kwantowe opierają się na "dwupoziomowych" kubitach — kwantowej wersji włącznika. Ale jeśli nauczymy się pracować ze znacznie bardziej złożonymi stanami kwantowymi, takimi jak te udostępnione przez wspomniane badania, być może uda nam się budować odporniejsze systemy, które lepiej radzą sobie z samodzielną korekcją błędów.

Jak ujął to Saner: "Obraz z podręcznika, gdzie układ kwantowy jest w dwóch miejscach naraz, to dopiero początek. Istnieje znacznie większy krajobraz możliwych stanów kwantowych i wciąż uczymy się, jak uzyskiwać do niego dostęp eksperymentalnie."

Większy obraz

A tutaj pojawia się coś, co naprawdę mnie porusza: słynny cytat Feynmana o tym, że nikt tak naprawdę nie rozumie mechaniki kwantowej, pochodzi z 1964 roku. Minęło prawie sześćdziesiąt lat, a my wciąż odkrywamy nowe aspekty tego zjawiska. Wciąż poszerzamy granice tego, co wszechświat na to pozwala.

I szczerze? To mnie napawa pewnym optymizmem. Wciąż jest tak wiele rzeczy, których nie wiemy. Tak wiele do zbadania.Wszechświat jest dziwniejszy i bardziej elastyczny, niż sugeruje nasze codzienne doświadczenie, i co jakiś czas dostajemy mały podgląd tego, jak głęboka jest ta królicza nora.

Więc następnym razem, gdy ktoś przy kolacji wspomni o kocie Schrödingera, możecie powiedzieć: "O, to już takie lata dwutysięczne. My dawno przeszliśmy podstawowe scenariusze żywy-martwy. Mechanika kwantowa poszła w sztukę."

Wasi współbiesiadnicy będą albo pod wrażeniem, albo zaniepokojeni. Tak czy inaczej — będziecie mieli rację.