Död eller levande, vänster-snurrande eller höger-snurrande-i kvantvärlden kan partiklar som den berömda analogin av Schrödingers katt vara alla dessa saker samtidigt. Ett internationellt lag, inklusive forskare från flera ledande amerikanska universitet, tillsammans med experter från Forschungszentrum Jülich, har nu lyckats omvandla 20 intrasslade kvantbitar till ett sådant superpositionstillstånd. Genereringen av sådana atomiska Schrödinger -kattstater betraktas som ett viktigt steg i utvecklingen av kvantdatorer som kan överträffa klassiska datorer vid lösning av vissa uppgifter. Resultaten publicerades i Vetenskap förra fredagen.

År 1935, fysikern Erwin Schrödinger lade fram tankeexperimentet med kvantkatten, där katten är innesluten i en låda tillsammans med ett radioaktivt prov, en detektor och en dödlig mängd gift. Om det radioaktiva materialet försvinner, detektorn utlöser ett larm och giftet släpps. Det särdrag är att enligt kvantmekanikens regler, till skillnad från vardagliga erfarenheter, det är inte klart om katten är död eller lever. Det skulle vara båda samtidigt tills en experimentator tittar. Ett enda tillstånd skulle endast erhållas från tidpunkten för denna observation.

Sedan början av 1980 -talet har forskare har kunnat inse denna överlagring av kvanttillstånd experimentellt i laboratoriet med hjälp av olika metoder. "Dock, dessa katttillstånd är extremt känsliga. Även de minsta termiska interaktionerna med miljön får dem att kollapsa, "förklarar Tommaso Calarco från Forschungszentrum Jülich. Bland annat han spelar en ledande roll i Europas stora kvantinitiativ, EU:s Quantum Flagship -program. "Av denna anledning, det är bara möjligt att realisera betydligt färre kvantbitar i Schrödinger katttillstånd än de som finns oberoende av varandra ".

Av de senare staterna, forskare kan nu kontrollera mer än 50 i laboratorieexperiment. Dock, dessa kvantbitar, eller qubits för kort, visar inte de speciella egenskaperna hos Schrödingers katt i motsats till de 20 qubits som forskargruppen nu har skapat med en programmerbar kvantsimulator och därmed upprättar ett nytt rekord som fortfarande är giltigt även om andra fysiska tillvägagångssätt med optiska fotoner, fångade joner eller supraledande kvantkretsar beaktas.

Experter från flera av världens mest kända institutioner gick samman för att utveckla experimentet. Förutom Jülich -forskarna, forskare från många amerikanska högskolor - Harvard, Berkeley, MIT och Caltech - liksom italienska universitetet i Padua var inblandade.

"Qubits i katttillståndet anses vara extremt viktiga för utvecklingen av kvantteknik, "förklarar Jian Cui." Hemligheten med den enorma effektivitet och prestanda som förväntas av framtida kvantdatorer finns i denna överlagring av stater, "säger fysikern från Peter Grünberg Institute vid Jülich (PGI-8).

Klassiska bitar i en konventionell dator har alltid bara ett visst värde, som består av 0 och 1, till exempel. Därför, dessa värden kan bara bearbetas bit för bit efter varandra. Qubits, som har flera tillstånd samtidigt på grund av superpositionsprincipen, kan lagra och bearbeta flera värden parallellt i ett steg. Antalet qubits är avgörande här. Du kommer inte långt med bara en handfull qubits. Men med 20 qubits, antalet överlagrade stater överstiger redan en miljon. Och 300 qubits kan lagra fler nummer samtidigt än det finns partiklar i universum.

Det nya resultatet på 20 qubits kommer nu lite närmare detta värde, efter att det gamla rekordet på 14 qubits förblev oförändrat sedan 2011. För deras experiment, forskarna använde en programmerbar kvantsimulator baserad på Rydberg -atomarrayer. I detta tillvägagångssätt, enskilda atomer, i detta fall rubidiumatomer, fångas upp av laserstrålar och hålls på plats sida vid sida i rad. Tekniken är också känd som optisk pincett. En ytterligare laser exciterar atomerna tills de når Rydberg -staten, där elektronerna är belägna långt bortom kärnan.

Denna process är ganska komplicerad och tar vanligtvis för mycket tid, så att det känsliga kattläget förstörs innan det ens kan mätas. Gruppen i Jülich bidrog med sin expertis inom Quantum Optimal Control för att lösa detta problem. Genom att smart slå av och på lasrarna i rätt takt, de uppnådde en snabbare hastighet i förberedelseprocessen som gjorde denna nya rekord möjlig.

"Vi blåste praktiskt taget upp vissa atomer i en sådan omfattning att deras atomskal smälter samman med de intilliggande atomerna för att samtidigt bilda två motsatta konfigurationer, nämligen excitationer som upptar alla jämna eller udda platser, "förklarar Jian Cui." Detta går så långt att vågfunktionerna överlappar varandra som i analogin med Schrödingers katt och vi kunde skapa överlagringen av de motsatta konfigurationerna som också kallas Greenberger-Horne-Zeilinger-tillståndet. "

Deras framsteg inom kvantforskning kompletterades med insatser från en kinesisk forskargrupp, som också publicerades i det aktuella numret av " Vetenskap ". Med hjälp av supraledande kvantkretsar, forskarna lyckades skapa 18 qubits i Greenberger-Horne-Zeilinger-staten, vilket också är ett nytt rekord för detta experimentella tillvägagångssätt.