Schrödingerova mačka je jeden z najznámejších myšlienkových experimentov modernej fyziky. Vymyslel ho rakúsky fyzik Erwin Schrödinger v roku 1935, aby upozornil na paradox, ktorý vzniká, keď sa princípy kvantovej fyziky pokúšame aplikovať na každodenné objekty.
V jeho myšlienkovom pokuse sa predstavila mačka zatvorená v krabici, kde bol zároveň umiestnený rádioaktívny atóm, Geigerov počítač (detektor žiarenia) a fľaštička s jedom. Ak by sa atóm rozpadol, spustil by mechanizmus, ktorý by rozbil ampulku s jedom, a mačka by zomrela. Ak by sa atóm nerozpadol, mačka by ostala živá.
Čo je Schrödingerova mačka
Krabica, mačka a smrteľná pasca
V pokuse sa všetko odohráva v uzavretom systéme, krabici, v ktorej sa nachádza mačka, rádioaktívny zdroj a mechanizmus schopný spustiť jed.
Rádioaktívny atóm má 50 % pravdepodobnosť, že sa rozpadne počas jednej hodiny. Ak sa rozpadne, uvoľní žiarenie, ktoré deteguje Geigerov počítač. Ten následne spustí kladivo, ktoré rozbije ampulku s jedom.
Ak sa atóm nerozpadne, nič sa nestane, a mačka prežije.
Myšlienkový experiment, známy ako Schrödingerova mačka, pozostáva z troch predmetov uzavretých v krabici: mačky, fľaše s jedom a rádiového zdroja. Ak detektor rádioaktivity zistí radioaktívny rozpad, prístroj by otvoril fľašu a uvoľnil jed.
Superpozícia: keď je mačka živá aj mŕtva
Podľa kvantovej fyziky sa stav častice neurčuje, kým ju nepozorujeme. Rádioaktívny atóm sa teda nachádza v superpozícii dvoch stavov: rozpadnutý aj nerozpadnutý.
A preto aj mačka, ktorá je na tento stav priamo napojená, je súčasne živá aj mŕtva.
Samotná mačka, ktorú nevidíme, sa totiž nachádza v znepokojujúcej superpozícii medzi životom a smrťou, zatiaľ čo z reálneho sveta vieme, že môže byť len v jednom takomto stave.
Úloha pozorovateľa
Kľúčovým prvkom experimentu je pozorovateľ. V momente, keď otvoríme krabicu a pozrieme sa dovnútra, vlnová funkcia kolabuje, teda jeden z možných stavov sa stane realitou.
Mačka je buď živá, alebo mŕtva.
O tom, ako sa mačke darí, či sa teda už rozpadol (alebo nerozpadol) rádioaktívny atóm, ktorý je spolu s ňou v škatuli, rozhodne až pozorovateľ, ktorý sa odváži zistiť reálny stav vecí a škatuľu otvoriť.
Prečo Schrödinger mačku vymyslel
Za experimentom stál rakúsky fyzik Erwin Schrödinger, jeden z priekopníkov kvantovej mechaniky.
V roku 1935 chcel upozorniť na paradox, ktorý vzniká, keď sa princípy kvantovej fyziky pokúšame aplikovať na každodenné objekty.
Chlpaté stvorenie máta vedcov aj po deväťdesiatich rokoch od chvíle, čo ho rakúsky fyzik uviedol do siene vedeckých kuriozít.
Slávny kozmológ na vozíčku Stephen Hawking nemal Schrödingerovu mačku rád.
Toto čudné stvorenie zavreté v škatuli spolu s rádioaktívnym atómom vymyslel v roku 1935 jeden z tvorcov kvantovej teórie Erwin Schrödinger.
Tento scenár nebol návrhom na skutočný pokus s mačkou. Schrödinger chcel ukázať, že prenesenie kvantového opisu mikroskopických častíc na veľké objekty vedie k zvláštnym a ťažko prijateľným dôsledkom.
Od skutočnej mačky k atómovej „mačke“
Paradoxný scenár sa v reálnom svete nestáva. Kvantové častice sú síce schopné existovať v dvoch rôznych stavoch súčasne - čo sa nazýva superpozícia -, ale v prípade objektov vo veľkosti mačky sa to nedeje.
Vedci však dokážu vytvárať kontrolované superpozície v oveľa menších systémoch. Výskumníci z austrálskej Univerzity Nového Južného Walesu a ich kolegovia z Melbournskej univerzity vytvorili osobitnú kvantovú „mačku“ založenú na atóme antimónu.
„V našej práci predstavuje mačku atóm antimónu,“ povedal Xi Yu, hlavný autor článku.
„Ide o ťažký atóm s veľkým jadrovým spinom, teda veľkým magnetickým dipólom. Spin antimónu môže mať osem rôznych smerov namiesto dvoch.
Superpozícia spinu antimónu smerujúceho opačnými smermi totiž nie je len superpozíciou hore a dole; mačka teda nie je iba mŕtva alebo iba živá, ale má osem rôznych stavov, pretože existuje viacero kvantových stavov oddeľujúcich dve vetvy superpozície.
Prečo môže mať kvantová mačka sedem životov
Hovorí sa, že mačka má deväť životov. Austrálski výskumníci najnovšie ukázali, že v kvantovom svete tých životov môže byť sedem.
V kvantovej mechanike platí, že pokiaľ atóm nemôžeme pozorovať priamo, nachádza sa v superpozícii, teda vo viacerých stavoch súčasne, tak ako aj naša mačka.
Pri tomto experimente výskumný tím použil atóm, ktorý je oveľa zložitejší ako štandardné qubity (kvantové stavebné bloky).
„Ako základná jednotka kvantovej informácie sa bežne používa kvantový bit alebo qubit, teda objekt opísaný iba dvoma kvantovými stavmi,“ povedal spoluautor štúdie Benjamin Wilhelm.
„A ak je qubitom spin, môžeme nazvať ako spin down stav 0 a spin up ako stav 1. Ak sa však smer spinu náhle zmení, zrazu máme logickú chybu: 0 sa premení na 1 alebo naopak.
„Ako hovorí príslovie, mačka má deväť životov, a ani v našom prípade jeden malý škrabanec na jej tvári nestačí na to, aby ju zabil. Naša metaforická mačka má sedem životov, bolo by teda potrebných sedem po sebe idúcich chýb, aby sa 0 zmenila na 1!
| Vlastnosť | Schrödingerov myšlienkový experiment | Atómová kvantová „mačka“ |
|---|---|---|
| Nositeľ kvantového stavu | Rádioaktívny atóm a mačka v krabici | Atóm antimónu |
| Počet uvažovaných stavov | Živá alebo mŕtva | Osem rôznych stavov |
| Význam pozorovania | Mačka je po otvorení krabice živá alebo mŕtva | Kontrola a zisťovanie kvantového stavu |
| Analógia s chybami | Jedna udalosť rozhoduje o výsledku | Sedem po sebe idúcich chýb, aby sa 0 zmenila na 1 |
Experiment so zafírovým kryštálom
Vedci uviedli kúsok zafírového kryštálu do stavu, v ktorom objekt existuje v dvoch rôznych stavoch súčasne.
Je to situácia pripomínajúca obľúbenú imaginárnu Schrödingerovu mačku, ktorá je zároveň živá aj mŕtva.
Nová zafírová mačka má relatívne veľkú hmotnosť 16 mikrogramov.
V novom experimente výskumníci zatriasli časťou kryštálu zafíru takým spôsobom, že sa jeho atómy pohybovali v dvoch smeroch naraz.
To je stav, ktorý vystihuje ducha Schrödingerovej mačky, hovorí Y. Chu.
Trhanie sa týkalo 100 miliónov miliárd atómov.
To je dostatočne veľká časť, aby bola viditeľná voľným okom.
Napriek tomu boli oscilácie atómov nepatrné, približne milióntina miliardtiny milimetra.
Antimónová mačka v kremíkovom čipe
Antimónová „mačka“ je zabudovaná vnútri kremíkového kvantového čipu podobného tým, ktoré máme v našich počítačoch a mobilných telefónoch, ale je prispôsobená na prístup ku kvantovému stavu jediného atómu.
Čip vyrobila Dr.
„Tým, že sme atómovú Schrödingerovu mačku umiestnili do kremíkového čipu, sme získali vynikajúcu kontrolu nad jej kvantovým stavom alebo, ak chcete, nad jej životom a smrťou,“ povedala Dr. Holmesová.
Výroba a prevádzkovanie kvantových zariadení je dielom výskumníkov z UNSW v Sydney a ich kolegov z Melbournskej univerzity.
Prečo je kvantová mačka dôležitá pre výpočty
Význam tohto prelomu spočíva v tom, že otvára dvere novému spôsobu vykonávania kvantových výpočtov.
Bežný qubit môže byť opísaný dvoma kvantovými stavmi. Ak sa jeho stav zmení, môže vzniknúť logická chyba, pri ktorej sa 0 premení na 1 alebo naopak.
Atóm antimónu s veľkým jadrovým spinom môže mať osem rôznych smerov. Vďaka tomu môže byť jeho kvantový stav odolnejší voči malej poruche.
„Ak sa vyskytne chyba, okamžite ju zistíme a môžeme ju opraviť skôr, ako sa nahromadia ďalšie chyby.
Aby sme pokračovali v metafore so Schrödingerovou mačkou, je to podobné, ako keby sme videli našu mačku vracať sa domov s veľkým škrabancom na tvári. Nie je síce ani zďaleka mŕtva, ale je nám jasné, že sa zamiešala do bitky.
Hľadanie kvantových chýb a ich opravy, to je svätý grál kvantovej výpočtovej techniky a ďalším míľnikom, ktorým sa bude austrálsky tím zaoberať v spolupráci s kolegami.
Schrödingerova mačka v kultúre a na mape
Dnes sa v záhrade Schrödingerovho bývalého domu na Huttenstrasse 9 v Zürichu nachádza postava mačky v životnej veľkosti.
Miesto sa spája s pripomínaním osobnosti fyzika a s historickým kontextom myšlienkového experimentu.
Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 6/2023.