Ett gammalt tankeexperiment dyker nu upp i ett nytt ljus. 1935 formulerade Erwin Schrödinger ett tankeexperiment utformat för att fånga kvantfysikens paradoxala natur. En grupp forskare ledd av Gerhard Rempe, Direktör för avdelningen för kvantdynamik vid Max Planck Institute of Quantum Optics, har nu realiserat en optisk version av Schrödingers tankeexperiment i laboratoriet. I det här fallet, pulser av laserljus spelar rollen som katten. Insikterna från projektet öppnar nya möjligheter för förbättrad kontroll av optiska tillstånd, som i framtiden kan användas för kvantkommunikation.

"Enligt Schrödingers idé, det är möjligt för en mikroskopisk partikel, såsom en enda atom, att existera i två olika tillstånd samtidigt. Detta kallas en superposition. Dessutom, när en sådan partikel interagerar med ett makroskopiskt föremål, de kan bli 'trasslade', och det makroskopiska objektet kan hamna i superpositionstillstånd. Schrödinger föreslog exemplet med en katt, som kan vara både död och levande, beroende på om en radioaktiv atom har sönderfallit eller inte – en föreställning som står i uppenbar konflikt med vår vardagliga erfarenhet, " förklarar professor Rempe.

För att förverkliga detta filosofiska gedanken-experiment i laboratoriet, fysiker har vänt sig till olika modellsystem. Den som implementerades i det här fallet följer ett schema som föreslagits av teoretikerna Wang och Duan 2005. Här, superpositionen av två tillstånd av en optisk puls fungerar som katten. De experimentella tekniker som krävs för att implementera detta förslag – i synnerhet en optisk resonator – har utvecklats i Rempes grupp under de senaste åren.

Ett test för kvantmekanikens omfattning

Forskarna som var involverade i projektet var initialt skeptiska till huruvida det skulle vara möjligt att generera och tillförlitligt detektera sådana kvantmekaniskt intrasslade katttillstånd med den tillgängliga tekniken. Den största svårigheten låg i behovet av att minimera optiska förluster i deras experiment. När detta väl var uppnått, alla mätningar visade sig bekräfta Schrödingers förutsägelse. Experimentet gör det möjligt för forskarna att utforska tillämpningsområdet för kvantmekanik och att utveckla nya tekniker för kvantkommunikation.

Laboratoriet vid Max Planck-institutet i Garching är utrustat med alla verktyg som behövs för att utföra toppmoderna experiment inom kvantoptik. En vakuumkammare och högprecisionslasrar används för att isolera en enda atom och manipulera dess tillstånd. Kärnan i uppställningen är en optisk resonator, bestående av två speglar åtskilda av en endast 0,5 mm bred slits, där en atom kan fångas. En laserpuls matas in i resonatorn och reflekteras, och interagerar därigenom med atomen. Som ett resultat, det reflekterade ljuset trasslar in sig i atomen. Genom att utföra en lämplig mätning på atomen, den optiska pulsen kan förberedas i ett superpositionstillstånd, precis som hos Schrödingers katt. En speciell egenskap hos experimentet är att de intrasslade tillstånden kan genereras deterministiskt. Med andra ord, ett katttillstånd produceras i varje försök.

"Vi har lyckats skapa flygande optiska katttillstånd, och visade att de beter sig i enlighet med kvantmekanikens förutsägelser. Dessa fynd bevisar att vår metod för att skapa katttillstånd fungerar, och tillät oss att utforska de väsentliga parametrarna, säger doktoranden Stephan Welte.

En hel djurpark av stater för framtida kvantkommunikation

"I vår experimentuppställning, vi har inte bara lyckats skapa ett specifikt katttillstånd, men godtyckligt många sådana stater med olika superpositionsfaser – en hel djurpark, så att säga. Denna förmåga skulle i framtiden kunna användas för att koda kvantinformation, ", tillägger Bastian Hacker.

"Schrödingers katt var ursprungligen innesluten i en låda för att undvika all interaktion med miljön. Våra optiska katttillstånd är inte inneslutna i en låda. De fortplantar sig fritt i rymden. Ändå förblir de isolerade från miljön och behåller sina egenskaper över långa avstånd. I i framtiden skulle vi kunna använda denna teknik för att konstruera kvantnätverk, där flygande optiska katttillstånd sänder information, " säger Gerhard Rempe. Detta understryker betydelsen av hans grupps senaste prestation.