החתול של שרדינגר מתחמם: מהפכה בתפיסת הטמפרטורה בפיזיקה הקוונטית

החתול של שרדינגר הוא ניסוי המחשבתי שנכתב על ידי ארווינג 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 שישבר 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.

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' אוריאל 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 יאן יאנג, שביצע את הניסויים.

החוקרים השתמשו בשני פרוטוקולים שעד כה שימשו רק למצבים קרים. לאחר התאמה, נמצא כי גם בטמפרטורות גבוהות אפשר לייצר הפרעות קוונטיות (quantum interference) מובהקות.

פרופ' אוריאל 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 – ההפרעות הקוונטיות נשמרות."

לדברי קירכמאיר, "אם נצליח ליצור את האינטראקציות הנדרשות בתוך המערכת – ייתכן שטמפרטורה כבר לא תהיה מחסום בפיתוח טכנולוגיות קוונטיות חדשות."