Schrödingers experiment voor katten brak records voor natuurkundigen

Onderzoekers van ETH Zürich hebben de zwaarste kat van Schrödinger tot nu toe gemaakt door een kristal in een superpositie van twee oscillatietoestanden te plaatsen. Hun resultaten kunnen leiden tot krachtigere qubits en helpen verklaren waarom qubits in het dagelijks leven niet worden waargenomen.

• Onderzoekers van ETH Zürich hebben de zwaarste kat van Schrödinger ooit gemaakt.
• Hiervoor combineerden ze een oscillerend kristal met een supergeleidend circuit.
• Ze hopen beter te begrijpen waarom kwantumeffecten verdwijnen in de macroscopische wereld.

Zelfs als je geen kwantumfysicus bent, heb je waarschijnlijk wel eens gehoord van de kat van Schrödinger. Erwin Schrödinger bedacht katten die tegelijkertijd levend en dood konden zijn in een gedachte-experiment in 1935. De voor de hand liggende paradox – in het dagelijks leven zien we tenslotte alleen katten die levend of levend zijn. of Dood – zette wetenschappers ertoe aan soortgelijke situaties in het laboratorium te realiseren. Tot nu toe hebben ze dit kunnen doen door bijvoorbeeld atomen of moleculen in kwantummechanische superpositietoestanden te gebruiken, waarbij ze op twee plaatsen tegelijk zijn.

Bij ETH creëerde een team van onderzoekers onder leiding van Yiwen Chu, een professor in het Solid State Physics Laboratory, een dramatisch zwaardere Schrödinger-kat door een klein kristal in een superpositie van twee oscillatietoestanden te plaatsen. Hun resultaten, deze week gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science, kunnen leiden tot krachtigere qubits en licht werpen op het mysterie waarom kwantumsuperposities niet worden waargenomen in de macroscopische wereld.

kat in een doos

In het oorspronkelijke gedachte-experiment van Schrödinger zit een kat opgesloten in een metalen doos met radioactief materiaal, een geigerteller en een flesje gif. In een bepaald tijdsbestek – een uur bijvoorbeeld -[{” 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).

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