मार्च 29, 2024

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बिल्लियों के लिए श्रोडिंगर के प्रयोग ने भौतिकविदों के रिकॉर्ड तोड़ दिए

बिल्लियों के लिए श्रोडिंगर के प्रयोग ने भौतिकविदों के रिकॉर्ड तोड़ दिए
मोटी क्वांटम बिल्लियाँ

ETH ज्यूरिख के वैज्ञानिकों ने श्रोडिंगर की भारी बिल्लियाँ बनाने में प्रगति की है, जो एक ही समय में जीवित (ऊपर) और मृत (नीचे) दोनों हो सकती हैं। क्रेडिट: यिवेन चू / ईटीएच ज्यूरिख

ETH ज्यूरिख के शोधकर्ताओं ने अभी तक दोलन की दो अवस्थाओं के सुपरपोजिशन में एक क्रिस्टल रखकर सबसे भारी श्रोडिंगर की बिल्ली बनाई है। उनके परिणाम अधिक शक्तिशाली qubits को जन्म दे सकते हैं और यह समझाने में मदद कर सकते हैं कि रोजमर्रा की जिंदगी में qubits क्यों नहीं देखे जाते हैं।

  • ETH ज्यूरिख के शोधकर्ताओं ने श्रोडिंगर की अब तक की सबसे भारी बिल्ली बनाई है।
  • इसके लिए उन्होंने एक ऑसिलेटिंग क्रिस्टल को एक सुपरकंडक्टिंग सर्किट के साथ जोड़ा।
  • वे बेहतर ढंग से समझने की उम्मीद करते हैं कि मैक्रोस्कोपिक दुनिया में क्वांटम प्रभाव क्यों गायब हो जाते हैं।

यहां तक ​​​​कि अगर आप क्वांटम भौतिक विज्ञानी नहीं हैं, तो आपने शायद श्रोडिंगर की प्रसिद्ध बिल्ली के बारे में सुना होगा। इरविन श्रोडिंगर 1935 में एक विचार प्रयोग में बिल्लियों के साथ आए जो एक ही समय में जीवित और मृत दोनों हो सकती हैं। स्पष्ट विरोधाभास – आखिरकार, रोजमर्रा की जिंदगी में हम केवल उन बिल्लियों को देखते हैं जो या तो जीवित हैं या जीवित हैं। या मृत – ने वैज्ञानिकों को प्रयोगशाला में इसी तरह की स्थितियों को समझने की कोशिश करने के लिए प्रेरित किया। अब तक, वे ऐसा करने में सक्षम रहे हैं, उदाहरण के लिए, एक ही समय में दो स्थानों पर क्वांटम मैकेनिकल सुपरपोजिशन राज्यों में परमाणु या अणु।

ईटीएच में, सॉलिड स्टेट फिजिक्स लेबोरेटरी के एक प्रोफेसर, यिवेन चू के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने दोलन की दो अवस्थाओं के सुपरपोजिशन में एक छोटा क्रिस्टल रखकर नाटकीय रूप से भारी श्रोडिंगर की बिल्ली बनाई। उनके परिणाम, इस सप्ताह वैज्ञानिक पत्रिका साइंस में प्रकाशित हुए, मैक्रोस्कोपिक दुनिया में क्वांटम सुपरपोज़िशन क्यों नहीं देखे जाते हैं, इस रहस्य पर और अधिक शक्तिशाली qubits और शेड प्रकाश हो सकता है।

एक बॉक्स में बिल्ली

श्रोडिंगर के मूल विचार प्रयोग में, एक बिल्ली को रेडियोधर्मी सामग्री, एक गीजर काउंटर और जहर की एक शीशी के साथ एक धातु के बक्से के अंदर बंद कर दिया गया है। एक निश्चित समय सीमा में – एक घंटा, उदाहरण के लिए -[{” attribute=””>atom in the substance may or may not decay through a quantum mechanical process with a certain probability, and the decay products might cause the Geiger counter to go off and trigger a mechanism that smashes the flask containing the poison, which would eventually kill the cat. Since an outside observer cannot know whether an atom has actually decayed, he or she also doesn’t know whether the cat is alive or dead – according to quantum mechanics, which governs the decay of the atom, it should be in an alive/dead superposition state. (Schrödinger’s idea is commemorated by a life-​size cat figure outside his former home at Huttenstrasse 9 in Zurich).

Heavier Schrödinger Cats

In the ETH Zurich experiment, the cat is represented by oscillations in a crystal (top and blow-​up on the left), whereas the decaying atom is emulated by a superconducting circuit (bottom) coupled to the crystal. Credit: Yiwen Chu / ETH Zurich

“Of course, in the lab we can’t realize such an experiment with an actual cat weighing several kilograms,” says Chu. Instead, she and her co-​workers managed to create a so-​called cat state using an oscillating crystal, which represents the cat, with a superconducting circuit representing the original atom. That circuit is essentially a quantum bit or qubit that can take on the logical states “0” or “1” or a superposition of both states, “0+1”. The link between the qubit and the crystal “cat” is not a Geiger counter and poison, but rather a layer of piezoelectric material that creates an electric field when the crystal changes shape while oscillating. That electric field can be coupled to the electric field of the qubit, and hence the superposition state of the qubit can be transferred to the crystal.

Simultaneous oscillations in opposite directions

As a result, the crystal can now oscillate in two directions at the same time – up/down and down/up, for instance. Those two directions represent the “alive” or “dead” states of the cat. “By putting the two oscillation states of the crystal in a superposition, we have effectively created a Schrödinger cat weighing 16 micrograms,” explains Chu. That is roughly the mass of a fine grain of sand and nowhere near that of a cat, but still several billion times heavier than an atom or molecule, making it the fattest quantum cat to date.

In order for the oscillation states to be true cat states, it is important that they be macroscopically distinguishable. This means that the separation of the “up” and “down” states should be larger than any thermal or quantum fluctuations of the positions of the atoms inside the crystal. Chu and her colleagues checked this by measuring the spatial separation of the two states using the superconducting qubit. Even though the measured separation was only a billionth of a billionth of a meter – smaller than an atom, in fact – it was large enough to clearly distinguish the states.

Measuring small disturbances with cat states

In the future, Chu would like to push the mass limits of her crystal cats even further. “This is interesting because it will allow us to better understand the reason behind the disappearance of quantum effects in the macroscopic world of real cats,” she says. Beyond this rather academic interest, there are also potential applications in quantum technologies. For instance, quantum information stored in qubits could be made more robust by using cat states made up of a huge number of atoms in a crystal rather than relying on single atoms or ions, as is currently done. Also, the extreme sensitivity of massive objects in superposition states to external noise could be exploited for precise measurements of tiny disturbances such as gravitational waves or for detecting dark matter.

Reference: “Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator” by Marius Bild, Matteo Fadel, Yu Yang, Uwe von Lüpke, Phillip Martin, Alessandro Bruno and Yiwen Chu, 20 April 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.adf7553