TRENDY W FIZYCE
Przywracanie Życia
kotu Schrdingera
Philip Yam, cz"onek zespo"u redakcyjnego Scientific American
a"uj, Że mia"em kiedyĘ cokol- techniki nadal w znacznej mierze spe- ku. Funkcja falowa jest czymĘ w rodza-
wiek wspólnego z teorią kwan- kulatywnej, za pomocą której kilku na- ju kwantowego kwestionariusza osobo-
tową. Tymi s"owami, jak poda- ukowców ma nadziej rozwiąza pro- wego, poniewaŻ zawiera wszystkie in-
ją ęród"a, Erwin Schrdinger skarŻy" si blemy nieprawdopodobnie trudne dziĘ formacje o cząstce, które naleŻy zna
koledze. Austriacki fizyk nie op"akiwa" do rozwiązania. "ączy w sobie pe"ny zakres jej moŻli-
jednak losu swojego s"ynnego dziĘ kota, Tajemnicza atmosfera otaczająca wych po"oŻeł i ruchów.
którego w 1935 roku pozornie zamkną" przejĘcie midzy fizyką klasyczną Mówiąc ĘciĘle, funkcja falowa mówi
w pudle wraz z buteleczką trucizny. Ra- i kwantową wynika z podstawowej ce- nam, Że cząstka znajduje si w tych
czej komentowa" niezwyk"e implikacje chy cząstek kwantowych mogą one wszystkich stanach równoczeĘnie. Ob-
mechaniki kwantowej nauki, która zaj- by falą i porusza si ruchem falowym serwacja jednak niezmiennie ujawnia
muje si elektronami, atomami, foto- (i vice versa: Ęwiat"o moŻe odbija si tu tylko jeden z tych stanów. Celem eks-
nami i innymi submikroskopowymi i tam jak cząstka zwana fotonem). Jako perymentu myĘlowego Schrdingera
obiektami. Za pomocą swego kota takie mogą by opisane funkcją falową, jest pokazanie, jak, a nawet dlaczego po
Schrdinger próbowa" zilustrowa na- którą Schrdinger wymyĘli" w 1926 ro- pomiarze otrzymuje si dany wynik. Po-
stpujący problem: zgodnie z mechani-
ką kwantową cząstki przeskakują z jed-
nego punktu do drugiego, zajmują kilka
miejsc naraz i wygląda na to, Że prze-
kazują sobie informacje z prdkoĘcią
wikszą od prdkoĘci Ęwiat"a. Dlacze-
go wic koty albo ludzie, pi"ki czy pla-
nety nie mia"yby robi tego samego?
W kołcu są zbudowane z atomów.
Tymczasem stosują si do determini-
stycznych, klasycznych praw wypro-
wadzonych przez Isaaca Newtona. Kie-
dy wreszcie Ęwiat kwantów ustąpi
fizyce Życia codziennego? To jest jedno
z pytał za 64 tysiące dolarów 1 mówi
ze Ęmiechem David Pritchard z Massa-
chusetts Institute of Technology.
Pritchard i inni eksperymentatorzy
zaczli zerka na granic midzy króle-
stwem kwantów a fizyki klasycznej.
W ubieg"ym roku, stosując ch"odzenie
cząstek za pomocą Ęwiat"a laserowego
czy teŻ przepuszczając je przez specjal-
ne wnki rezonansowe, fizycy stworzy-
li kilka kotów Schrdingera, ale na bar-
dzo ma"ą skal. Tymi kotami by"y
pojedyncze elektrony i atomy tak przy-
gotowane, by kaŻdy z nich równocze-
Ęnie znajdowa" si w dwóch miejscach,
oraz pole elektromagnetyczne, które
w tym samym czasie oscylowa"o na dwa
róŻne sposoby. W ten sposób fizycy nie
tylko pokazali, jak "atwo tajemniczoĘ
ustpuje normalnoĘci, lecz takŻe w zde-
cydowany sposób dowiedli istnienia ba-
riery w przypadku kwantowego liczenia
58 WIAT NAUKI Sierpieł 1997
OBRAZ KOMPUTEROWY: JEFF BRICE; Funkcja Wignera fali materii atomowej po przejĘciu przez podwójną szczelin ; Za zgodą MATTHIASA FREYBERGERA, Uniwersytet w Ulm
Najnowsze eksperymenty pokazują,
w jaki sposób tajemniczy Ęwiat mechaniki kwantowej
ustpuje pola fizyce Życia codziennego
za kotem i trucizną w pudle jest teŻ stanem, w jaki obiekty kwantowe sto- kota kaŻe przyją, Że równieŻ powinien
atom radioaktywny. W ciągu godziny sunkowo "atwo popadają. Elektrony on by w spójnej superpozycji stanów,
atom ma równe szanse, Że si rozpad- mogą jednoczeĘnie zajmowa kilka po- pozostając jednoczeĘnie martwy i Ży-
nie lub Że si nie rozpadnie; rozpad ziomów energetycznych, czyli orbitali; wy. OczywiĘcie jest to patentowana
sprawi, Że m"otek rozbije buteleczk jak si okazuje, pojedynczy foton po bzdura: nasze zmys"y mówią nam, Że
i uwolni antykocie serum. przejĘciu przez p"ytk Ęwiat"odzielącą koty są albo Żywe, albo martwe i nie
podąŻa naraz dwiema ĘcieŻkami. mogą by równoczeĘnie w tych obu sta-
Zagadnienie pomiaru O cząstkach, które są w dobrze zdefi- nach lub w Żadnym z nich. Mówiąc pro-
niowanym stanie superpozycji, mówi- zaicznie, kot jest w rzeczywistoĘci urzą-
Zgodnie z mechaniką kwantową nie my, Że są spójne (koherentne). dzeniem pomiarowym, podobnie jak
obserwowany atom radioaktywny po- Co si jednak dzieje wtedy, kiedy licznik Geigera czy woltomierz. Powsta-
zostaje w zabawnym stanie, w którym obiekty kwantowe są sprzŻone z obiek- je zatem pytanie, czy urządzenia pomia-
jest zarazem przed i po rozpadzie. Taki tami makroskopowymi, choby z ko- rowe zaprojektowane do wykrywania
stan, który nazywa si superpozycją, jest tem? Logika kwantowa zastosowana do cząstek powinny wchodzi w ten sam
nieokreĘlony stan, w jakim mogą si
znaleę owe cząstki.
Dla dułskiego fizyka Nielsa Bohra,
twórcy teorii kwantowej (do którego
Schrdinger skierowa" swój pe"en Żalu
komentarz), nie ulega"o kwestii, Że po-
miary muszą by przeprowadzane za
pomocą aparatury klasycznej. W tym,
co zwyk"o si nazywa typową lub ko-
penhaską interpretacją mechaniki kwan-
towej, Bohr postulowa", Że detektory
makroskopowe nigdy nie osiągają roz-
mytego stanu superpozycji, ale nie wy-
jaĘni" dok"adnie dlaczego. Pojcie kla-
syczny chcia" wprowadzi rcznie
mówi Wojciech urek z Los Alamos Na-
tional Laboratory. Pomiary po prostu
si robi. Bohr uwaŻa" teŻ, Że granica
midzy Ęwiatem klasycznym i kwanto-
wym moŻe si przesuwa zaleŻnie od
tego, w jaki sposób przeprowadza si
eksperyment. Poza tym rozmiary w za-
sadzie nie grają Żadnej roli: superpozy-
cje mogą si utrzymywa w skali znacz-
nie wikszej od atomowej.
W listopadzie 1995 roku Pritchard
z kolegami z MIT uĘciĘlili nieprecy-
STRUKTURA FIZYKI musi jakoĘ "ączy eg-
zotyk mechaniki kwantowej jej martwo-
-Żywe koty, orbitale, oscylujące jony i fale
materii z bardziej intuicyjnymi odpowied-
nikami z zakresu fizyki klasycznej, a wic z
prawdopodobiełstwami, ruchami planetar-
nymi, bujającym si wahad"em i interferen-
cją przechodzących przez podwójną szcze-
lin fal Ęwietlnych.
WIAT NAUKI Sierpieł 1997 59
zyjne pojcie pomiaru. PrzepuĘcili wą-
ŁRÓDO
ski strumieł atomów sodu przez inter-
ATOMÓW
SZCZELINY
ferometr, urządzenie, które oferuje czą-
KOLIMUJŃCE
SIATKI
stce dwie moŻliwe ĘcieŻki do przebycia.
DYFRAKCYJNE
Gdy ĘcieŻki ponownie si "ączą, kaŻdy
atom, który zachowuje si jak fala, in-
terferuje sam ze sobą, dając na specjal-
ATOM
CIEKA
nym ekranie uk"ad jasnych i ciemnych
ODCHYLONA
prąŻków (tak samo jak w przypadku
POMPUJŃCA
WIŃZKA LASEROWA Ęwiat"a uginającego si na dwóch szcze-
PRZYGOTOWUJŃCA
linach). Korzystając z typowego sfor-
ATOM
mu"owania mechaniki kwantowej, mó-
wimy, Że atom porusza si jednoczeĘnie
WIŃZKA LASEROWA
CIEKA
po obu ĘcieŻkach, czyli Że ca"a droga
NIE ODCHYLONA
"KTÓRŃ DROGŃ"
atomu od ęród"a do ekranu jest super-
pozycją dwóch ĘcieŻek, po których si
ROZMYCIE POMIARU KWANTOWEGO jest pokazane za pomocą wiąz-
porusza.
ki atomów sodu, która si rozszczepia i ponownie "ączy, dając obraz in-
terferencyjny (tu niewidoczny). wiat"o lasera, rozpraszając si na atomie,
Nastpnie jedną ze ĘcieŻek naukow-
ujawni, którą ĘcieŻk wybra" atom, i tym samym wyeliminuje interfe-
cy oĘwietlili laserem. Ten zabieg zbu-
rencj. Jednak obraz interferencyjny, gdy zmieni si d"ugoĘci ĘcieŻek,
rzy" uk"ad prąŻków interferencyjnych,
powróci, udowadniając w ten sposób, jak dalece uk"ad kwantowy moŻe
poniewaŻ rozproszenie fotonów Ęwia-
zosta spleciony z klasyczną aparaturą.
t"a lasera na atomie mog"o wskaza,
którą ĘcieŻk atom wybra". (Regu"y
kwantowe nie pozwalają na wspó"-
POLE
ELEKTROMAGNETYCZNE
istnienie interferencji oraz informacji
którą drogą 2.)
JON
Pozornie wygląda to tak, jak gdyby
rozproszenie Ęwiat"a by"o pomiarem,
który niszczy spójnoĘ. Jednak naukow-
"WYMUSZAJŃCE" cy wykazali, Że t spójnoĘ moŻna od-
WIŃZKI
zyska tzn. przywróci prąŻki inter-
LASEROWE
ferencyjne poprzez zmniejszenie
CHODZŃCA
WIŃZKA LASEROWA
odleg"oĘci midzy dwiema ĘcieŻkami
w interferometrze do kilku wielokrot-
noĘci wierci d"ugoĘci fali Ęwiat"a lase-
rowego. W takim wypadku nie moŻna
stwierdzi, na której ĘcieŻce nastąpi"o
rozproszenie. Faktycznie nie traci si
KOT SCHRDINGERA zrobiony z jonu berylu najpierw jest pu"apko-
spójnoĘci wyjaĘnia Pritchard. Atom
wany za pomocą pola elektromagnetycznego, a nastpnie och"adzany la-
jest spleciony z wikszym uk"adem.
serem. Wymuszające wiązki laserowe przygotowują jon w superpozy-
Oznacza to, Że stan kwantowy atomu
cji dwóch stanów spinowych. Te dwa stany są nastpnie delikatnie
zostaje sprzŻony z przyrządem pomia-
odsuwane od siebie, tak Że jon przebywa naraz w dwóch miejscach.
rowym, którym w tym przypadku jest
foton.
Podobnie jak wiele wczeĘniejszych
eksperymentów praca Pritcharda, b-
ATOMOWA dąca realizacją projektu sprzed wielu
MIKROFALE
lat, który opracowa" zmar"y w 1988 ro-
"MYSZKA"
ku Richard Feynman, raczej pog"bia
WNóKA Z UWIóZIONYM
tajemnice leŻące u podstaw fizyki kwan-
POLEM
towej, niŻ je rozwiewa. wiadczy to
ELEKTROMAGNETYCZNYM
o tym, Że uk"ad pomiarowy nie jest jed-
noznacznie zdefiniowany. Czy zatem
MIKROFALE
w przypadku kota Schrdingera pomia-
WNóKA
MIKROFALOWA
rem jest podniesienie pokrywy pud"a?
A moŻe pomiar nastpuje wtedy, gdy
PIERWSZY Ęwiat"o dociera do oka i jest przetwa-
WZBUDZONY ATOM
rzane w mózgu? Lub jest to elektrosta-
FOTON
tyczne iskrzenie kociego futerka?
Ostatni wysyp doĘwiadczeł z ko-
EKSPERYMENT Z KOTEM I MYSZKŃ wykonano dla uwizionego pola
tem Schrdingera zaczyna dotyczy
elektromagnetycznego (zamknite fotony). Atom rubidu jest wzbudzany
tych w"aĘnie problemów. Jednak nie
mikrofalami do superpozycji dwóch stanów. Podczas przejĘcia przez Ęrodek
wszyscy fizycy zgadzają si z tym, Że
wnki przekazuje swój superponowany stan polu elektromagnetycznemu.
obserwują prawdziwe koty kwantowe
Drugi atom gra rol myszki , która sprawdza ostateczny stan pola. (Dru-
kotki, jak je najczĘciej nazywają za-
ga wnka mikrofalowa, taka sama jak pierwsza, umoŻliwia uzyskanie in-
terferencji kwantowej i ma podstawowe znaczenie dla pomiarów.) leŻnie od tego, jak bardzo chcą by ory-
JARED SCHNEIDMAN DESIGN
ginalni. W kaŻdym razie wszystkie te ukowcy skierowali do wnki atom ryd-
próby zdecydowanie wskazują na to, Że bergowski wzbudzony do stanu bdące-
przejĘcia kwantowo-klasyczne, czasa- go superpozycją dwóch róŻnych stanów
mi nazywane zanikaniem funkcji falo- energetycznych. Atom przekaza" swój
wej albo redukcją wektora stanu, osta- stan superponowany polu elektroma-
tecznie zacz"y si przenosi z królestwa gnetycznemu znajdującemu si we wn-
eksperymentów myĘlowych do Ęwiata ce, przeprowadzając go w superpozy-
rzeczywistych badał. cj stanów o dwóch róŻnych fazach lub
róŻnych czstoĘciach oscylacji. W ten
Tutaj kotku, kici, kici... sposób w przypadku róŻnych faz pole
przypomina"o kota Schrdingera w jego
W 1991 roku Carlos Stroud i John dziwnej superpozycji Życia i Ęmierci.
Yeazell z University of Rochester pro- W roli myszki zespó" z ENS uŻy" dru-
wadzili doĘwiadczenia z tzw. atomami giego atomu rydbergowskiego, który
rydbergowskimi. Nazwa ta wywodzi teŻ zosta" wprowadzony do wnki.
PISANIE NA ATOMIE teoretycznie
si od szwedzkiego spektroskopisty Jo- Wówczas pole elektromagnetyczne
jest moŻliwe. Elektron w stanie super-
hannesa Rydberga, który odkry" zwią- przekaza"o mu informacj o swoich su-
pozycji 2500 poziomów energetycznych
zek opisujący energi wiązania elektro- ma funkcj falową dostatecznie z"oŻo- perponowanych fazach. Fizycy porów-
ną, by da"o si zakodowa wiadomoĘ.
nu z jądrem.3 Normalnie elektrony krąŻą nali drugi atom z pierwszym, dziki cze-
S"owa zapisuje si, przyporządkowu-
po orbitach w odleg"oĘci od jądra mniej- mu uzyskali informacj o superpozycji
jąc barwy i ich nasycenia amplitudzie
szej niŻ 1 nm; w atomach rydbergow- pola elektromagnetycznego.
i fazie funkcji falowej.
skich orbita zewntrznego elektronu Jednak znacznie bardziej interesują-
rozdyma si do rozmiarów kilku tysi- ca by"a moŻliwoĘ kontrolowania przez
cy razy wikszych. To nadmuchanie ato- zespó" naukowców g"ównych zmien-
mu moŻna osiągną midzy innymi t"a laserowego, róŻniące si nieco cz- nych i okreĘlenia, w jaki sposób stany
krótkimi b"yskami Ęwiat"a lasera, które stoĘcią, by manipulowa jego spinem spójne przechodzą w klasyczne. Zmie-
w"aĘnie powodują, Że elektron jedno- wewntrzną kwantową w"aĘciwoĘcią, niając przedzia" czasu (od 30 do 250 s)
czeĘnie zajmuje kilka zewntrznych or- charakteryzującą si dwoma ustawie- midzy wstrzykniciem do wnki
bit. Superpozycja kilku stanów energe- niami w przestrzeni: w gór lub w dó". pierwszego i drugiego atomu, mogli zo-
tycznych fizycznie przejawia si w Za pomocą laserów naukowcy sprawi- baczy, jak zanikanie superpozycji zmie-
postaci pakietu falowego , który okrą- li, Że jon znalaz" si w superpozycji sta- nia si w funkcji czasu. Natomiast
Ża jądro w ogromnej (w skali atomowej) nów o ustawieniach spinu w gór zwikszając pole elektromagnetyczne
odleg"oĘci, wynoszącej oko"o 0.5 m. i w dó". (przez wprowadzenie do wnki wik-
Pakiet falowy reprezentuje prawdopo- Tyle na temat przygotował; po tym szej liczby fotonów), mogli ogląda, jak
dobiełstwo znalezienia wzbudzonego nastąpi"a czĘ bardziej makroskopo- wp"ywa to na przebieg zanikania. Po
elektronu. wa. Strojąc czstoĘ Ęwiat"a dwóch la- raz pierwszy moŻemy obserwowa
Wzbudzając atomy potasu do stanów serów, zespó" z NIST móg" stale zmie- stopniowe przechodzenie zachowania
rydbergowskich, fizycy z Rochester za- nia ustawienia spinów w przestrzeni, kwantowego w klasyczne mówi
uwaŻyli, Że po kilku okrąŻeniach pakiet zarówno tego, który by" skierowany Haroche.
falowy si rozpada, by na nowo odŻy w gór, jak i tego ustawionego w dó". To zapierający dech eksperyment
w postaci dwóch mniejszych pakietów Migawkowe zdjcie pokaza"oby jon entuzjazmuje si urek. Oglądanie ko-
zlokalizowanych po przeciwnych stro- w sytuacji, w której w jednym fizycz- ta Schrdingera jest zawsze zdumiewa-
nach ich wielkiej orbity. We wrzeĘniu nym po"oŻeniu spin jest ustawiony do jące, ale moŻliwoĘ obserwowania go
ub. r. Stroud ze swoim kolegą Mi- góry i równoczeĘnie w drugim po"oŻe- wtedy, kiedy jest zmuszony do doko-
chaelem W. Noelem wykazali, Że te dwa niu do do"u. Stany te by"y oddalone nania wyboru midzy Żywym i mar-
pakiety tworzą stan zwany kotem od siebie o 80 nm w skali atomowej twym, obserwowanie po raz pierwszy,
Schrdingera jeden elektron w dwóch jest to ogromna odleg"oĘ. ZrobiliĘmy jak ulatnia si kwantowa tajemniczoĘ,
po"oŻeniach. tak, by jeden jon by" w dwóch miejscach to rzeczywiĘcie mistrzowski wyczyn.
Elektron, bądę co bądę, jest z natury bardzo dalekich od siebie w porówna- Ponadto wyniki uzyskane w ENS zgo-
po prostu punktem. Jon (atom na"ado- niu z rozmiarami jonu w stanie podsta- dzi"y si z wikszoĘcią technicznych
wany elektrycznie), który sk"ada si wowym powiedzia" Monroe. oczekiwał teoretyków. Wyciągam z te-
z wielu cząstek elementarnych, plasuje W grudniu ub. r. Michel Brune, Serge go wniosek zauwaŻa urek Że pro-
si znacznie bliŻej Ęwiata makroskopo- Haroche i Jean-Michel Raimond wraz ste równania, które piszemy, wydają si
wego. W maju 1996 roku Chris Monroe z kolegami z Ecole Normale Suprieure dobrym przybliŻeniem.
i David J. Wineland wraz z kolegami (ENS) w ParyŻu poszli o krok do przo-
z National Institute of Standards and du. MogliĘmy obserwowa znikanie Strata spójnoĘci
Technology (NIST) w Boulder (Kolora- cech kwantowych wyjaĘnia Haroche.
do) stworzyli kota Schrdingera z jonu Aby zobaczy, jak zanika superpozycja, urek jest czo"owym ordownikiem
berylu. Najpierw pojedynczy jon spu- przechodząc do jednego lub drugiego teorii nazywanej dekoherencją, która
"apkowali za pomocą pól elektromagne- ze stanów, naprzeciwko swojego kota jest oparta na idei, Że oĘrodek niszczy
tycznych, a nastpnie za pomocą wiąz- Schrdingera zawiesili w istocie kwan- spójnoĘ kwantową. Sformu"owa" ją
ki laserowej st"umili jego drgania tową myszk, która sprawdza"a, czy kot w latach osiemdziesiątych (chociaŻ
termiczne i skutkiem tego sch"odzili go jest Żywy, czy martwy. w czĘci nawiązuje do Bohra i innych
do temperatury w granicach milikelwi- Kotem by"o uwizione pole elektro- twórców teorii kwantowej) i od tamtej
na powyŻej zera bezwzgldnego. Wów- magnetyczne (pk fotonów mikrofalo- pory z róŻnymi wspó"pracownikami ba-
czas odpalili w niego dwie wiązki Ęwia- wych we wnce rezonansowej). Na- da jej konsekwencje.
WIAT NAUKI Sierpieł 1997 61
MICHAEL NOEL i CARLOS STROUD
University of Rochester
OĘrodek destabilizujący za-
Zajcia dla kotów kwantowych
sadniczo odnosi si do wszyst-
kiego, na co stan uk"adu kwan-
aukowcy zaproponowali i wykazali wiele technicznych moŻliwoĘci wykorzystania sple-
towego móg"by wp"ywa
Ncionych i superponowanych stanów kwantowych, m.in. do liczenia kwantowego. Kilka
i skutkiem tego mimowolnie go
innych projektów przedstawiamy poniŻej:
mierzy : moŻe to by pojedyn-
czy foton, drgania moleku"y,
Chemia kwantowa Kryptografia z kluczem kwantowym
cząstki powietrza. W tej teorii
oĘrodek nie jest po prostu szu-
Stosując lasery, naukowcy mogą wprowa- Kryptografia z
mem ; on dzia"a jak przyrząd,
dzi cząsteczki w stan superpozycji ĘcieŻek kluczem kwan-
który bezustannie monitoruje
reakcji, a nastpnie kontrolowa przebieg towym ma zna-
uk"ad.
procesu chemicznego, odpowiednio dopa- cznie lepsze
Eksperyment ENS wyjaĘnia
sowując stopieł interferencji. W grudniu ub. r. pespektywy od
to zjawisko. Uk"ad ulega de-
w podobny sposób uda"o si rozdzieli izoto- kwantowego li-
koherencji, poniewaŻ wycieka
py. Do man- czenia. Upo-
z niego informacja zauwaŻa
kamentów tej waŻnieni infor-
urek. Kilka fotonów moŻe
metody naleŻy matorzy tworzą
uciec z wnki rezonansowej
zaliczy zbyt wspólne klucze,
i tym samym zdradzi ca"ej resz-
ma"ą wydaj- wykorzystując polaryzacj fotonów. KaŻda
cie Ęwiata stan pozosta"ych fo-
noĘ i trudno- próba z"amania kluczy by"aby natychmiast
tonów. Tak wic w pewnym Ęci w kontrolo- zauwaŻona, poniewaŻ po prostu zniszczy-
sensie kot Schrdingera ma ko- waniu fazo- "aby te stany fotonów. Zosta"o wykazane,
wych charak- Że kwantowa kryptografia przesy"ana Ęwia-
cita, które wy"aŻą na zewnątrz
terystyk pro- t"owodami dzia"a na odleg"oĘ ponad kilku
dodaje.
mieniowania. kilometrów.
Gdy skorzystamy z pojcia
oĘrodka, zdefiniowanie granicy
kwantowo-klasycznej ma t
przewag, Że usuwa kilka tajem-
niczych aspektów teorii kwantowej, któ- (einselection) usuwa nierealistyczne sta- sprawdzalna, poniewaŻ równolegle ist-
re propagowali niektórzy autorzy. Eli- ny kwantowe i zachowuje tylko te, niejące Ęwiaty pozostają dla siebie na
minuje jakąĘ specjalną potrzeb które mogą przeciwstawi si rozpa- zawsze nieosiągalne.
ĘwiadomoĘci lub nowe si"y fizyczne, trzeniu ich przez oĘrodek i tym samym
które wp"ywają na rezultat klasyczny. sta si klasycznymi. Selekcji doko- Gruntowne przeróbki
WyjaĘnia to równieŻ, dlaczego rozmiar nuje oĘrodek, nie potrafimy wic prze-
jako taki nie jest przyczyną dekoheren- widzie, która z dozwolonych moŻli- Zdaniem Leggetta zagadnienia zwią-
cji: duŻe uk"ady, na przyk"ad prawdzi- woĘci okaŻe si rzeczywista zauwaŻa zane z dekoherencją i ideą wielu Ęwia-
we Żywe koty, nigdy nie mog"yby zna- urek. tów doprowadzi"y ca"kiem sporą mniej-
leę si w stanie superpozycji, poniewaŻ WyjaĘnienie to niezbyt satysfakcjo- szoĘ do poparcia poglądu zwanego
wszystkie cząstki, z których sk"ada si nuje. PodejĘcie urka jest bardzo teorią GRW. Pomys" zosta" wysunity
kociak, wp"ywają na ogromną liczb pa- pociągające. Pozwala obliczy pewne w 1986 roku przez GianCarla Ghirar-
rametrów oĘrodka, co sprawia, Że spój- rzeczy, zobaczy jak znikają prąŻki inter- diego i Tullio Webera z Uniwersytetu
noĘ nie jest moŻliwa. W przypadku jed- ferencyjne, w miar jak roĘnie superpo- w TrieĘcie oraz Alberta Riminiego z Uni-
nogramowej kulki zawieszonej na zycja mówi Monroe. Nadal jest wersytetu w Pawii.
wahadle i kilku rozsądnych za"oŻeł wy- w tym coĘ zabawnego. On przesuwa W schemacie GRW funkcja falowa
razy interferencyjne funkcji falowej uk"a- rzeczy pod dywanem, ale trudno po- cząstki rozsypuje si w czasie. Istnieje
du w ciągu nanosekundy spadają do wiedzie, co to za dywan. Problem jednak ma"e prawdopodobiełstwo, Że
2.7 1000 czĘci wartoĘci pierwotnej to polega na tym, Że dekoherencja a rozsypująca si fala uderzy w tajem-
jest w"aĘciwie natychmiastowe znikni- faktycznie kaŻda teoria dotycząca przej- nicze coĘ znajdujące si w tle. Wów-
cie kwantowej tajemniczoĘci. Stara in- Ęcia kwantowo-klasycznego z koniecz- czas funkcja falowa zostanie nagle zlo-
tuicja, jak za czasów Bohra, jest znowu noĘci jest stworzona ad hoc. Superpo- kalizowana. Poszczególne cząstki mają
w cenie , chociaŻ teraz istnieje fizycz- zycje kwantowe muszą w jakiĘ spo- znikomą szans takiego uderzenia, bo
ny mechanizm, by skonkretyzowa jej sób dawa rezultaty, które bdą bar- tylko jedną na 100 mln lat. W przypad-
pe"nomocnictwa konkluduje urek. dziej odpowiada"y codziennemu po- ku makroskopowego kota prawdopo-
Niemniej jednak model dekoherencji czuciu rzeczywistoĘci. Prowadzi to do dobiełstwo, Że uderzy przynajmniej jed-
urka w oczach niektórych fizyków jest obwodu logicznego: rezultaty widocz- na z 1027 cząstek, z których si sk"ada,
wadliwy. Moim zdaniem dekoherencja ne w Ęwiecie makroskopowym opu- jest duŻe. MoŻe si to zdarzy mniej
nie wybiera konkretnego wyniku Ęci"y Ęwiat kwantów, poniewaŻ są jedy- wicej raz na kaŻde 100 ps. Kot tak na-
twierdzi Anthony J. Leggett z Uni- ne, jakie widzimy. Tego rodzaju roz- prawd nigdy nie mia"by szansy zna-
versity of Illinois. W prawdziwym Ży- wiązanie, zalecane przez kilku promi- leę si w jakimkolwiek stanie super-
ciu otrzymujemy okreĘlone rezultaty nentych kosmologów, jest nieporczną pozycji. Zatem nie ma potrzeby deko-
makroskopowe. interpretacją, znaną jako teoria wielu herencji: makroskopowy stan kota wy-
urek argumentuje, Że oĘrodek fak- Ęwiatów , która utrzymuje, Że wszyst- nika ze spontanicznych mikroskopo-
tycznie narzuca moŻliwoĘci kwantowe, kie moŻliwoĘci zawarowane w funkcji wych zaników funkcji falowej.
które realizują si w rzeczywistym Ęwie- falowej faktycznie zachodzą. Kontynu- Ten model ma jednak kilka manka-
cie. Proces, który traktuje on jako super- ują one swoją egzystencj w równole- mentów. Przede wszystkim czynnik
selekcj indukowaną przez oĘrodek g"ych Ęwiatach. Idea ta jest jednak nie- synchronizacji czasu, który wyzwala
62 WIAT NAUKI Sierpieł 1997
Kwantowa teleportacja Kwantowa optyka laserowa gett, który jednak pozostaje
zwolennikiem tych poczynał.
Ta idea ma mniej Lasery zwykle wymagają inwersji popula- Stoj na stanowisku, Że naleŻy
wspólnego z seria- cji, czyli spe"nienia warunku, aby atomy w sta-
przeprowadza doĘwiadczenia,
lem Star Trek niŻ z nie wzbudzonym przewyŻsza"y liczebnie te,
których celem jest sprawdzenie,
rekonstrukcją znisz- które są w stanie podstawowym; wzbudzone
czy mechanika kwantowa nadal
czonej informacji. atomy, przechodząc do stanu podstawowe-
obowiązuje.
Jej sednem jest go, emitują fotony promieniowania lase-
Coraz mniejsze tranzystory,
efekt Einsteina, Po- rowego. W 1995 roku badaczom uda"o si
które teraz juŻ mają rozmiary nie
dolskiego i Rosena, unikną warunku inwersji. Laserując bez in-
wiksze od mikrometra, by mo-
w którym wykazano, wersji, dwa sprzŻone lasery oferują dwóm
Że równieŻ prowadzą do pozna-
Że dwa fotony pozostają ze sobą związane atomom w stanie podstawowym dwie ĘcieŻ-
nia przemian kwantowo-kla-
niezaleŻnie od tego, jak są oddalone, dopó- ki prowadzące do jednego wyŻszego pozio-
sycznych. W ciągu kilku lat
ki nie zostanie przeprowadzony pomiar (któ- mu energii. Interferencja tych ĘcieŻek spra-
mogą one osiągną rozmiary
ry oba momentalnie wprowadza w okreĘlony wia, Że atomy w stanie podstawowym stają
rzdu jednej dziesiątej nanome-
stan). Alicja bierze jeden foton EPR, a Bob si niewidzialne,
tra i znaleę si w krainie nazy-
drugi. Nastpnie Alicja mierzy swój foton EPR a zatem potrzeba
wanej niekiedy skalą mezosko-
wzgldem trzeciego fotonu. Bob natomiast mniej atomów w
pową. Da Hsuan Feng z Drexel
moŻe wykorzysta ten wzgldny pomiar do stanie wzbudzo-
odtworzenia nie-EPR-owskiego fotonu Alicji. nym. Takie lasery University spekuluje, Że mecha-
Nie jest jednak jasne, czy Bob naprawd zre- nie wymagają du- nika kwantowa by moŻe wca-
materializowa" foton, czy teŻ moŻe go sklo- Żo mocy i w zasa-
le nie prowadzi do mechaniki
nowa". Naukowcy z Uniwersytetu w Inns- dzie mog"yby pra-
klasycznej; juŻ raczej oba opisy
brucku, jak twierdzą, zademonstrowali to cowa w poŻą-
wywodzą si z jeszcze nie od-
zjawisko, które moŻna wykorzysta w kwan- danym obszarze
krytych poj fizycznych pocho-
towej kryptografii. promieni X.
dzących z obszaru leŻącego mi-
dzy nimi.
Kwantowe liczenie
uderzenie, jest zupe"nie dowolny; ci, mówi urek; zawodzi jednak w przy-
którzy stosują ten model, zwykle wy- padku zagadnieł metafizycznych w ro- Nawet jeĘli te eksperymenty nie po-
bierają prowadzący do rozsądnych wy- dzaju tego, w jaki sposób Ęwiadomy zwalają w pe"ni rozwiąza problemu
ników. WaŻniejsze jest jednak ęród"o te- umys" przewiduje rezultat. To jest pomiaru, dają znaczący wk"ad do gorą-
go wyzwalania. W zasadzie [jest to] niezrozumia"e, jeĘli s"usznie oczekuje- cego tematu kwantowego liczenia. Kla-
rodzaj szumu ogólnego t"a, który sam my odpowiedzi na wszystkie pytania, syczny komputer jest zbudowany
nie moŻe by opisany przez mechanik przynajmniej dopóki nie poznamy po- z tranzystorów, które prze"ączają si
kwantową wyjaĘnia Leggett. Szum wiązał midzy mózgiem i umys"em midzy 0 i 1. Natomiast w komputerze
nie jest wynikiem przypadkowych pro- zamyĘla si. kwantowym tranzystory pozostają
cesów zachodzących w Ęrodowisku; ma Wiksze superpozycje umoŻliwią za- w superpozycji stanów 0 i 1 (nazywa-
on wyraęny matematyczny posmak. Ro- pewne naukowcom rozpoczcie elimi- nej kwantowym bitem lub qubitem); ob-
ger Penrose z University of Oxford nowania pewnych teorii na przyk"ad liczenia są prowadzone poprzez oddzia-
w swojej ksiąŻce Shadows of the Mind GRW i dekoherencja przewidują róŻne "ywania midzy superponowanymi
(Zamienia umys"u) dowodzi, Że czyn- skale superpozycji. To, co chcieliby- stanami, dopóki nie zostanie dokonany
nikiem wyzwalającym moŻe by grawi- Ęmy zrobi, to przejĘ do uk"adów bar- pomiar. Wówczas superpozycje zanika-
tacja, która zgrabnie usuwa"aby pewne dziej z"oŻonych i wplata coraz wicej ją i maszyna daje ostateczny wynik. Ale
trudnoĘci techniczne. cząstek mówi Haroche, i to wicej tylko teoretycznie, poniewaŻ jednocze-
Jest jeszcze wiele innych, bardziej ra- niŻ tylko te 10 uprzednio uwizionych. Ęnie mog"a uzyska wiele odpowiedzi.
dykalnych projektów. Najbardziej zna- DoĘwiadczenia planowane przez NIST Komputer kwantowy potrafi"by w cią-
ny zosta" wysunity przez nieŻyjącego są szczególnie odpowiednie do tego, by gu kilku sekund zrealizowa takie za-
juŻ Davida Bohma, który postulowa", je wykorzysta jako monitory dekohe- dania, jak na przyk"ad rozk"adanie na
Że ukryte zmienne podbudują mecha- rencji utrzymuje Monroe. MoŻemy czynniki pierwsze wielkich liczb w celu
nik kwantową. Te zmienne opisują- symulowa szum, który w sposób za- "amania kodów, co maszynie klasycz-
ce w"asnoĘci, które w pewnym sensie mierzony sprawi, Że superpozycja si nej zaj"oby ca"e lata.
przypisują funkcjom falowym dzia"a- rozpadnie. Leggett zaproponowa" uŻy- W grudniu 1995 roku naukowcom
nie rzeczywiste wyeliminowa"yby po- cie sensorów zrobionych z nadprze- uda"o si stworzy uk"ady dwubitowe.
jcie superpozycji i przywróci"y rzeczy- wodzących pierĘcieni (nazywanych Monroe z kolegami wykonali z jonu be-
wistoĘ deterministyczną. Podobnie jak SQUID-ami4): by"oby moŻliwe prze- rylu element logiczny nazywany bram-
idea wielu Ęwiatów teoria Bohma nie puszczenie stosunkowo duŻych prądów ką kontrolną NOT. Jon zosta" uwizio-
daje si zweryfikowa; ukryte zmienne jednoczeĘnie p"ynących w pierĘcieniu ny i sch"odzony do swojego najniŻszego
z definicji pozostają ukryte. w przeciwnych kierunkach. stanu oscylacyjnego. Ten stan i pierw-
Wobec takiego wyboru wielu fizy- Mimo to ciągle jeszcze przed nami szy wzbudzony stan oscylacyjny stano-
ków opowiada si za dekoherencją d"uga droga. Nawet w najbardziej wią jeden bit. Drugim bitem jest spin
(która najmniej rzeczy przyjmuje na spektakularnych doĘwiadczeniach po- jednego z elektronów jonu. Impulsy la-
wiar), nie bacząc na to, Że zawodzi kazaliĘcie superpozycj co najwyŻej serowe mogą wprowadzi te bity w stan
w pe"nym rozwiązaniu problemu po- 5000 cząstek. To jeszcze daleko do superpozycji i sterowa drugim z nich
miaru. Dekoherencja pozwala wyja- 1023 cząstek charakterystycznych dla zaleŻnie od stanu pierwszego bitu. In-
Ęni fizyczne aspekty tych zagadnieł Ęwiata makroskopowego mówi Leg- ne warianty bramek sprzgają dwa fo-
WIAT NAUKI Sierpieł 1997 63
JARED SCHNEIDMAN DESIGN
tony poprzez atom we wnce rezonan- NiedogodnoĘcią jest odczytywanie
sowej lub transmitują splecioną par fo- wyniku na wyjĘciu z uk"adu. Z powodu
tonów przez sie detektorów. niemoŻnoĘci detekcji poszczególnych spi-
Jak dotąd zbudowanie uŻytecznego nów naukowcy muszą mierzy spiny
komputera kwantowego, wykorzystu- wszystkich cząsteczek zarówno qubi-
jącego superpozycje tysicy jonów i prze- tów, jak i niequbitów. Z"oŻone cząsteczki,
prowadzającego miliardy operacji, po- mające wiele spinów, są zatem bardziej
zostaje wątpliwe. Na czym polega zaszumione od prostych cząsteczek.
problem? Chodzi o zanik superpozycji. Zapewne zrobią coĘ "adnego mówi
Bramki logiczne muszą by dostatecz- Monroe ale po przekroczeniu oko"o 10
nie szybkie, by mog"y wykona prac, bitów natrafią na k"opoty natury podsta-
zanim qubity stracą spójnoĘ. Korzysta- wowej. WyjĘcie uzyskane z 10 bitów sta-
jąc z danych NIST uzyskanych w ekspe- nowi tylko 0.001 tego, co si uzyskuje
rymencie z bramką, Haroche i Raimond z pojedynczego bitu; dla 20 bitów sygna"
w sierpniowym numerze Physics Today na wyjĘciu zmniejsza si milion razy. Tak
z 1996 roku opublikowali oszacowania. wic metoda NMR moŻe nie wejĘ do
Wynika z nich, Że gdybyĘmy za"oŻyli, wyróŻnionego królestwa obliczeł, gdzie
iŻ prdkoĘ bramki równa si 0.1 ms, i wymagane jest przynajmniej 50 bitów.
chcieli zakołczy sensowne obliczenia Kwantowe superpozycje mogą wsze-
(w tym wypadku chodzi"o o roz"oŻenie lako znaleę zastosowanie gdzie indziej.
na czynniki pierwsze liczby 200-cyfro- Stroud proponuje gromadzenie danych
wej), bity powinny pozosta w stanie su- w atomie, poniewaŻ elektron odpowied-
perpozycji co najmniej przez rok. nio wzbudzony do stanu rydbergow-
Inni fizycy są mniej pesymistycznie skiego móg"by spójnie obsadza 2500
nastawieni, poniewaŻ rozwiązaniem te- róŻnych poziomów energetycznych.
go problemu mogą by kody poprawia- Oznacza to, Że funkcja falowa elektro-
jące b"dy (które są nieodzowne w obli- nu moŻe by bardzo z"oŻona i zawiera
czeniach klasycznych). Dają instrukcje, ogromnie duŻo informacji wyjaĘnia.
jak naprawi uszkodzenie twierdzi T moŻliwoĘ wykaza" teoretycznie, pi-
David DiVincenzo z IBM Thomas J. sząc na atomie OPTICS.
Watson Research Center w Yorktown PrzydatnoĘ kwantowej superpozy-
Heights w stanie Nowy Jork. cji, na przyk"ad w szyfrowaniu, w che-
DiVincenzo zwraca ponadto uwag mii, a nawet w teleportacji5, zosta"a juŻ
na fakt, Że nowa metoda liczenia kwan- dowiedziona. Dotychczas zamknity
towego, wykorzystująca techniki ma- w pude"ku kot Schrdingera móg" jedy-
gnetycznego rezonansu jądrowego nie wywodzi w pole najwiksze umy-
(NMR), mog"aby wyd"uŻy czasy spój- s"y filozoficzne. Teraz, jak si wydaje,
noĘci do sekund lub wicej. znalaz" dostatecznie wiele zastosował
Wyobraęmy sobie, Że ciecz filiŻan- technicznych, by nadal pozostawa" tam,
ka kawy jest umieszczona w polu ma- gdzie jest.
T"umaczy"a
gnetycznym; z powodu drgał termicz-
Aleksandra Kopystyłska
nych i innych wystpujących si" tylko
Przypisy t"umaczki:
jedno na kaŻdy milion jąder w cząstecz-
1
NajwyŻsza stawka w bardzo popularnym w Sta-
kach kofeiny ustawi si wzd"uŻ kierun-
nach Zjednoczonych teleturnieju.
2
ku pola magnetycznego. Tymi wyróŻ- To charakterystyczny zwrot fizyków, który po nie-
miecku brzmi welcher Weg, po angielsku zaĘ
nionymi jądrami moŻna manipulowa
which way.
3
za pomocą fal radiowych w taki sposób, Warto zauwaŻy, Że w 1889 roku Rydberg sfor-
mu"owa" empiryczny wzór na d"ugoĘ fali dowol-
by ich spiny wprowadzi w superpozy-
nej linii widmowej, w którym wystpuje sta"a nie-
cj ustawieł do góry i do do"u. Tym ra-
zaleŻna od rodzaju atomu (nazwana póęniej sta"ą
zem utrzymanie spójnoĘci jest "atwiej- Rydberga R) oraz inne sta"e, zaleŻne od pierwiast-
ka i serii widmowej. W owym czasie budowa ato-
sze niŻ w przypadku innych metod,
mu nie by"a znana; elektron zosta" odkryty w 1897
poniewaŻ superponowane spiny jądro- roku.
4
SQUID jest akronimem angielskiej nazwy urzą-
we są dobrze chronione przed oĘrod-
dzenia: Superconducting Quantum Interference De-
kiem przez chaotycznie kot"ujące si wo-
vice [patrz: John Clarke, Nadprzewodnikowe in-
terferometry kwantowe ; wiat Nauki, paędziernik
kó" nich cząsteczki, których ob"dna
1994].
szarpanina uĘrednia si do zera. Liczą- 5
Mianem tym okreĘla si przesy"anie (cia"a) za po-
ca kofeina faktycznie siedzi w spokoj- mocą telekinezy.
nym oku cyklonu.
Ostatnio dwie grupy naukowców wy-
Literatura uzupe"niająca
kaza"y moŻliwoĘ kwantowego liczenia
DECOHERENCE AND THE TRANSITION FROM QUAN-
metodą NMR, stosując wersj uk"adu
TUM TO CLASSICAL. Wojciech urek, Physics
z czterema qubitami do obliczenia su-
Today, vol. 44, nr 10, ss. 36-44, X/1991.
WHERE DOES THE WEIRDNESS GO? David Lindley;
my 1 plus 1. Uk"ady bardziej z"oŻone,
BasicBooks, 1996.
uŻywające moŻe nawet 10 qubitów,
SCHRDINGER S MACHINES. Gerard J. Milburn;
prawdopodobnie bdą dostpne pod
W. H. Freeman and Co., 1997.
koniec roku.
64 WIAT NAUKI Sierpieł 1997
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Tajemnica?l mozgowych Przywroc rytm szczesliwego i zdrowego zycia tajfalTajemnica?l mozgowych Przywroc rytm szczesliwego i zdrowego zycia tajfalTylko Jezus prawdziwie przywraca do życia owcębohater wlasnego zyciaFazy życiaKępiński Rytm życiaJakość życia pacjentek z chorobąwięcej podobnych podstron