Schrödinger macskája

A Schrödinger macskája egy Erwin Schrödinger Nobel-díjas osztrák fizikus nevéhez fűződő gondolatkísérlet. A tudós ezzel a neves kísérlettel kívánta szemléltetni a mikrovilágban uralkodó törvények hétköznapi szemlélet számára meghökkentő idegenszerűségét, azt, hogy a részecskék egyidejűleg több helyen, különféle állapotokban lehetnek. Hangsúlyozandó, a kísérlet csak egy fikció volt, a valóságban nem végezték el.

A probléma gyökere: a szuperpozíció elve

A kvantummechanikában szuperpozíció elvének nevezzük, amikor egy részecske (vagy hullám) ún. kevert állapotban van, azaz bizonyos tulajdonságait nem tudjuk egyértelműen megállapítani. A részecske addig marad ebben, amíg valamilyen módon meg nem állapítjuk, hogy valójában hol és milyen állapotban van. A probléma ott kezdődik, hogy mérés (megfigyelés) hatására a szuperpozíció összeroppan, és a részecske egyértelműen a lehetséges állapotok egyikébe kerül.

Fontos megjegyezni, hogy a szuperpozíció (akár a hullám-függvény) csakis abban az esetben omlik össze, amint tudomást szerzünk az anyag (elektron, atom, molekula) állapotáról. Közvetlenül maga a mérés nem omlasztja össze a szuperpozíciót (hullámfüggvényt), csakis az, ha a mérés eredményét megtudjuk; tehát ha a mérés eredményét azelőtt eldobjuk, hogy megtudnánk, a szuperpozíció megmarad! Ez kényszerűen valamelyik állapotba taszítja az anyagot, ami Schrödingernél döglött, vagy élő macskát eredményez, de sosem egyszerre a kettőt.

Lásd még: Hullám-részecske kettősség

A kísérlet leírása

Schrödinger macskája (illusztráció)

Teller Ede egy 1996. október 21-én, a Debreceni Akadémiai Bizottság előtt tartott előadásában így írja le a kísérletet Schrödinger szemszögéből:

„Tegyük fel, hogy van egy macskám. Ezt beteszem egy ketrecbe, és a ketrec mellé odateszek egy radioaktív készítményt, amely percenként 50%-os valószínűséggel bocsát ki egy alfa-részecskét. Egy számlálót is odateszek, ami egy percre bekapcsol. Ha ez alatt a perc alatt jön egy alfa-részecske, akkor a számláló megindul, kinyit egy kis ajtót, bejön egy kémiai méreg, amitől a macska meghal. Ha pedig nem jött alfa-részecske ebben a percben, a macska életben marad. Én ezt nem figyelem. A kísérlet végén a macska állapotfüggvénye olyan, hogy a macska egy fél valószínűséggel él, és egy fél valószínűséggel halott. Heisenberg szerint – mondja Schrödinger – ha most hirtelen ránézek a macskára, attól a tekintettől a macska tényleg meghal, vagy a macska tényleg megél. Hát kérem szépen – mondta Schrödinger –, én ebből egy szót sem hiszek. Ez így nem lehet.”

Schrödinger macskája tehát élet és halál kvantummechanikai szuperpozíciójában lebeg, mivel sorsa összefonódott egy potenciálisan macskagyilkos α-részecskéével.

A kvantum-szuperpozíció határai

A fizikusok régóta töprengenek azon, vajon hol húzódik az a határ, ahol a kvantum-szuperpozíció mindenképpen összeroppan, azaz az egymással keveredő állapotok dekoherenssé válnak. Ez az állapotváltozás egyúttal a mikro- (a kvantumfizika törvényei által irányított) és a makro- (klasszikus fizika törvényei érvényesülnek) világ közötti határvonalat határozza meg.

Az NIST 1996-os kísérlete

A coloradói Boulderben lévő Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) kutatói 1996-ban sikeres kísérleteket folytattak a kvantum-szuperpozíció összeroppanásának vizsgálatára.

A kísérletben a kutatók berilliumionokat (egyik külső elektronjuktól megfosztott berilliumatomokat) különítettek el, és tartottak elektromágneses csapdában az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleten, külső energia- és sugárzási forrásoktól elszigetelten. Így csaknem mozdulatlan (hőmozgásában is korlátozott) ionnak csupán két lehetséges kvantumállapota van: a legkülső pályán maradt egyetlen elektron mágneses momentuma felfelé vagy lefelé mutathat. A kvantumfizika törvényei szerint mindaddig, amíg az elektront valamilyen módon meg nem zavarjuk, az ion e két állapot fele-fele arányú keverékében, koherens szuperpozíciójában van.

A dekoherencia kialakulásához szükséges idő érzékenyen függ a rendszer méretétől. A NIST kutatói a mostani kísérletben a berilliumion szuperpozíciójának két, térbelileg eleinte csaknem teljesen átfedő összetevőjét külső elektromágneses tér alkalmazásával fokozatosan eltávolították egymástól, egészen az atomi átmérő tízszereséig növelve a köztük lévő távolságot.

„Megfigyeltük, hogy a távolság növelésével párhuzamosan, a külső környezeti tényezők változásának hatására a szuperpozíció koherenciája exponenciális ütemben csökkent, mígnem összeroppant, és az ion az egyik lehetséges állapotba került.” – mondta David J. Wineland, a kutatócsoport egyik tagja.

A NIST kutatói így a világon elsőként, módszeresen, lépésről lépésre haladva szelték át azt a határt, amely a kvantumfizika világát makrovilágunktól elválasztja. Sőt, egy különleges trükkel sikerült a folyamatot megfordítaniuk is, azaz a határt ellenkező irányból átlépve a koherens szuperpozíciót visszaállítaniuk.

Lehetséges gyakorlati alkalmazás: kvantumszámítógépek

A kvantumszámítógépek azon az elven alapulnak, hogy míg egy hagyományos számítógép bináris számrendszerben, csak 1, illetve 0 bitekkel képes dolgozni, addig egy kvantumbit (qubit) egyfajta szuperpozicionált állapotban bárhol állhat a két érték között.

Ahogy a qubitek száma nő, úgy növekszik a különböző állapotok száma, amelyeket megtestesíthetnek az összekapcsolt kvantum bitek. Két qubit 4 különböző állapotra képes, amelyeket szimultán fel lehet dolgozni, míg három qubit már 8-ra, és így tovább, exponenciálisan növekvően. Így egy gép, amely csak 10 qubitet tartalmaz, már 1024 műveletre képes szimultán, mintha egy hatalmas párhuzamosan feldolgozó egység lenne. Egy 40-qubites 1 billió műveletre, sőt, egy 100-qubites rendszer már szinte elképzelhetetlenül nagy mennyiségű egyidejű művelet végrehajtására képes.