מדענים הצליחו לייצר מצבים קוונטיים של סופרפוזיציה גם בטמפרטורות גבוהות, ושוברים את המיתוס שלפיו רק קור מאפשר קיום של תופעות קוונטיות
החתול של שרדינגר הוא ניסוי מחשבתי שנכתב על ידי ארווין שרדינגר ב-1935. שרדינגר הציע תרחיש שבו חתול נמצא בתוך קופסה סגורה יחד עם מנגנון קטלני הכולל: אטום רדיואקטיבי שעשוי להתפרק (או לא להתפרק) במהלך שעה אחת (סיכוי של 50%); מונה גייגר שמזהה את ההתפרקות; ופטיש שישבור בקבוקון עם רעל קטלני אם המונה יזהה התפרקות.
על פי מכניקת הקוונטים, כל עוד הקופסה סגורה ולא נצפתה, האטום נמצא בסופרפוזיציה – מצב שבו הוא גם התפרק וגם לא התפרק בו-זמנית. מכיוון שמצב החתול תלוי בהתפרקות האטום, גם החתול נמצא בסופרפוזיציה: הוא גם חי וגם מת עד שמישהו פותח את הקופסה ומבצע מדידה. ברגע הפתיחה, המצב "קורס" לאחת האפשרויות – החתול חי או מת.
חתול של שרדינגר מתוך מצב חם
מדענים הצליחו להשיג הישג קוונטי פורץ דרך: הם יצרו מצבים קוונטיים מסוג "החתול של שרדינגר" לא מתוך מצב קר ויציב, אלא מתוך מצבים תרמיים חמים – ובכך ערערו על אחת מהנחות היסוד של הפיזיקה הקוונטית.
באמצעות מערכת קיוביט (qubit) מוליך-על, הצליחו החוקרים להוכיח שניתן לקיים סופרפוזיציה קוונטית גם בטמפרטורות גבוהות יחסית – הישג שמפריך את האמונה הרווחת כי חום הורס תופעות קוונטיות. מעבר לכך, תוצאה זו מחייה את הרעיון המקורי של שרדינגר – "חתול חם" – ופותחת פתח לפיתוח טכנולוגיות קוונטיות ישימות יותר.
מצבי "החתול של שרדינגר" הם אחת מהתופעות המוזרות ביותר בפיזיקה הקוונטית, בהן מערכת יכולה להיות בשני מצבים מנוגדים בו-זמנית. במקור מדובר בניסוי מחשבתי, בו חתול נמצא בו-זמנית במצב חי ומת. ניסויים בעולם האמיתי הדגימו מצבים כאלה לא על חתולים אלא על אטומים, מולקולות או תהודות אלקטרומגנטיות.
עד כה, מצבים אלו נוצרו על-ידי קירור המערכת למצב הקוונטי הנמוך ביותר שלה. אך במחקר חדש, בהובלת פרופ' גרהרד קירכמאיר ופרופ' אוריול רומרו-איזרט, הראו החוקרים שניתן לייצר מצבים אלה גם כשנקודת הפתיחה היא מצב חם ומעורער תרמית.
"קשה לשכוח שלפי שרדינגר, החתול היה חי – כלומר חם," מסביר קירכמאיר מהמחלקה לפיזיקה ניסויית באוניברסיטת אינסברוק ומהמכון לאופטיקה קוונטית של האקדמיה האוסטרית למדעים (ÖAW). "רצינו לבדוק אם אפשר לייצר תופעות קוונטיות גם בלי להתחיל מהמצב הקר."
יצירת סופרפוזיציה בטמפרטורות גבוהות
המחקר, שפורסם ב־4 באפריל בכתב העת Science Advances, בוצע באמצעות קיוביט מסוג טרנסמון בתוך תהודת מיקרוגל, ונעשה בטמפרטורות של עד 1.8 קלווין – פי 60 מהטמפרטורה הרגילה של התהודה.
"הצלחנו לייצר מצבים קוונטיים מעורבים במיוחד, ועדיין לשמר תכונות קוונטיות מובהקות", אומר איאן יאנג, שביצע את הניסויים.
החוקרים השתמשו בשני פרוטוקולים שעד כה שימשו רק למצבים קרים. לאחר התאמה, נמצא כי גם בטמפרטורות גבוהות אפשר לייצר התאבכות קוונטית (quantum interference) מובהקת.
פרופ' אוריול רומרו-איזרט, עד לא מזמן פיזיקאי תאורטי באינסברוק וכיום מנהל ICFO – המכון למדעי הפוטונים בברצלונה, מציין:
"ההישג הזה פותח הזדמנויות חדשות בשימוש בסופרפוזיציות קוונטיות, במיוחד בתחומים כמו אוסילטורים ננומכניים – שם קשה מאוד להגיע למצב הקר."
כשהחום לא מפריע לקוונטים
"תמיד הנחנו שטמפרטורה גבוהה הורסת תופעות קוונטיות," מוסיף תומס אגרניוס, שתרם להבנה התאורטית של המחקר. "אבל המדידות שלנו מוכיחות שזה לא בהכרח כך – ההתאבכות הקוונטית נשמרת."
לדברי קירכמאיר, "אם נצליח ליצור את האינטראקציות הנדרשות בתוך המערכת – ייתכן שטמפרטורה כבר לא תהיה מחסום בפיתוח טכנולוגיות קוונטיות חדשות."
שאלות ותשובות
מהו הניסוי המחשבתי "החתול של שרדינגר"?
זהו ניסוי מחשבתי שהציע ארווין שרדינגר ב-1935, ובו חתול נמצא בקופסה סגורה עם אטום רדיואקטיבי, מונה גייגר ובקבוקון רעל. לפי מכניקת הקוונטים, כל עוד הקופסה לא נפתחה ולא בוצעה מדידה, החתול נמצא בסופרפוזיציה – גם חי וגם מת.
מה החידוש במחקר החדש?
עד כה נוצרו מצבי "החתול של שרדינגר" על-ידי קירור המערכת למצב הקוונטי הנמוך ביותר שלה. החוקרים הראו שאפשר לייצר מצבים כאלה גם כשנקודת הפתיחה היא מצב תרמי חם.
כיצד בוצע הניסוי?
הניסוי בוצע באמצעות קיוביט מוליך-על מסוג טרנסמון בתוך תהודת מיקרוגל, בטמפרטורות של עד 1.8 קלווין – פי 60 מהטמפרטורה הרגילה של התהודה. החוקרים התאימו לשם כך שני פרוטוקולים ששימשו עד כה רק למצבים קרים.
מי הובילו את המחקר והיכן פורסם?
המחקר הובל בידי פרופ' גרהרד קירכמאיר מאוניברסיטת אינסברוק ופרופ' אוריול רומרו-איזרט, כיום מנהל המכון ICFO בברצלונה. הוא פורסם בכתב העת Science Advances.
מה המשמעות של התוצאה לטכנולוגיות קוונטיות?
לדברי החוקרים, ההישג פותח הזדמנויות חדשות לשימוש בסופרפוזיציות קוונטיות, במיוחד במערכות כמו אוסילטורים ננומכניים שבהן קשה מאוד להגיע למצב הקר. לדברי קירכמאיר, אם יצליחו ליצור את האינטראקציות הנדרשות, ייתכן שטמפרטורה כבר לא תהיה מחסום בפיתוח טכנולוגיות קוונטיות.
עוד בנושא באתר הידען
- פילוסופיה של הקוונטים ד': החתול של שרדינגר במסע לעולם דה קוהרנטי ולעולמות מקבילים
- פיסיקאים באוניברסיטת בן-גוריון גרמו לאטום להיות בשני מקומות שונים באותו הזמן
- CAT scan לחתול של שרדינגר
- תגלית מדעית: חוקרים ראו תופעות ממכניקת הקוונטים בתנועת מטוטלות
- פריצת דרך קוונטית בטמפרטורת החדר מטלטלת את הפיזיקאים
2 תגובות
אם העולם היה יציב , יש להניח שהיינו מגיעים למצב סטטי לפני מיליארדי שנים או שבכלל לא היינו יוצאים מהמצב הסטטי
אבי תערוך את הכתבה שלך. היא לא מובנת. אומנם אני לא מבין בפיזיקה כלל. לא למדתי מעולם פיזיקה וכל הידע שלי הוא מקריאה של כתבות מזדמנות. אבל עדיין אני מבין שהכתבה כתובה לא באופן שמסביר מה הכוונה של המחקר מלבד תחיית המתים של החתול גם בטמפרטורה גבוהה יותר. בכתבה המקורית שרדינגר היה הדוגמא וכאן העיקר. בכל אופן כמי שחושב שהבין מה כתוב מהכתבה המקורית הנה המסקנות העיקריות שלי מהכתבה, שזירה קוונטית יכולה להתרחש גם בטמפרטורה גבוהה יותר ממה שחשבו שקיים. הקיוביט הוא המצב של השזירה ושזירה יכולה להתקיים רק במוליכי על ששם האלקטרונים החופשיים במצב של טמפרטורה נמוכה מאוד קרוב לאפס המוחלט, יכולים ליצור שזירה קוונטית של שני אלקטרונים חופשיים. בניסוי נמצא שניתן ליצור שזירה קוונטית שתשמור על עצמה גם במצב של טמפרטורה גבוהה יותר יחסית לאפס המוחלט, טמפרטורה שקשה מאוד להשיג וצריך הרבה מאוד אנרגיה כדי להוציא את האנרגיה הקיימת במערכת כדי ליצור את השזירה. שזירה קוונטית הוא מצב שבו שני אלקטרונים חופשיים שמושגים בעזרת מוליכי על, שבהם האלקטרונים החופשיים " חופשיים יותר" ונמצאים בכמות רבה יותר. השזירה היא מצב של קשר " טלפתי" של שני אלקטרונים שברגע שצד שלישי התכוון להבין מה המצב של אחד מהם הקשר הטלפתי נשבר. ומצב זה של טלפתיה בין שני אלקטרונים יכול להתבצע רק בטמפרטורה שקרובה לאפס המוחלט. ובמחקר שנעשה בכתבה המקורית מצא שאפשר גם בטמפרטורה גבוהה יותר. אין לי ידע בפיזיקה לכן מה שכתבתי הוא רק מתוך קריאה אקראית ויכול להיות שאני לא הבנתי מה זה שזירה אבל לפי מה שכתבת ומה שכתוב בכתבה המקורית ההסבר שלך לא מובן וגם לא מלמד אלה כתוב באופן שאדם מהישוב לא יבין כלום. ואני אדם מהישוב ונכנסתי מסקרנות וגרמת לי לבלבול.