Schrödingers SQUID

I superledende ringe flyder elektrisk strøm begge veje samtidigt

Graham P. Collins

Schrödingers kat fyldte 65 i år, men i stedet for at overveje at trække sig tilbage, viser kattedyret sig mere og mere dristigt. Fornylig har to uafhængige grupper demonstreret de største eksemplarer af Schrödingers kat tilstande ved brug af superledende ringe. I det oprindelige tankeeksperiment gjorde kvantevirkninger og et Rube Goldberg lignende giftapparatur katten samtidigt levende og død inde i dens forseglede torturkammer. I de nye eksperimenter erstattede en elektrisk strøm katten og flød begge veje rundt i en ring samtidigt. Tony Leggett fra University of Illinois at Urbana-Champaign, som i 1980'erne foreslog at sådanne store kvantemekaniske systemer kunne demonstreres, kalder forskningen "en milesten i eksperimentel kvantefysik".
     Nøglefænomenet, det drejer sig om, er overlejring af bølger - på samme måde som forskellige lydbølger fra folk, der snakker ved et selskab, overlapper og adderes til en total lydbølge, som går ind i vore ører. I kvantemekanikken opfører selve stoffet sig som en bølge: elektroner og andre partikler kan eksistere i en overlejring af forskellige tilstande.
     Problemet, som Erwin Schrödinger pegede på i 1935, er, at forstå hvorfor "helt tossede" overlejringer, som hans kats, aldrig ses i virkeligheden til trods for, at de ikke er forbudt i den rene kvantemekanik. I dag har teoretikerne en meget bedre forståelse af, hvordan små forstyrrelser fra miljøet tenderer til at forstyrre kvanteoverlejringer og gøre dem til den utvetydige virkelighed, som vi ser omkring os hver dag - en proces, der kaldes dekohærens. I det sidste årti har eksperimentatorer skabt og undersøgt kohærente kvantetilstande med en grad af kontrol, man kun drømte om i idealiserede lærebogsbeskrivelser. Eksperimenter har overlejret små antal partikler og anbragt individuelle atomer to steder på en gang.
     De to nye eksperimenter fører tingene frem til et væsentligt mere makroskopisk niveau. De blev udført af Jonathan Friedman, James Lukens og deres medarbejdere på State University of New York at Stony Brook og af Caspar van der Wal, Johan E. Mooij og deres medarbejdere på Delft University of Technology i Holland. Begge grupper brugte SQUID - superledende kvanteinterferens anordninger. Kvantevirkninger tillader kun visse diskrete mængder magnetisk flux at bevæge sig gennem en sådan superledende ring. Hvis der påføres et felt, som ligger mellem de tilladte værdier, flyder der en elektrisk strøm gennem ringen, som frembringer lige netop det rette yderligere felt til at runde den totale flux af til en tilladt værdi.
     Tingene bliver interessante når den påførte flux er midtvejs mellem to tilladte værdier. Det gør SQUID lige tilbøjelige til at frembringe en strøm, der går med uret som en strøm, der går mod uret - at runde op eller runde ned på den tilsvarende flux - og betingelserne er yderst gunstige til frembringelse af en overlejring af disse to alternativer. For Stony Brook SQUID beløb disse strømme sig til milliarder af elektroner, som løb op i mikroampere, der bevægede sig rundt en 140-mikron kvadratisk ring, som var stor nok til at omslutte et menneskehår - kæmpemæssigt efter kvantestandarder og virkeligt makroskopisk. Delft konstruktionen var mindre, 1/30 i størrelse.
     Overlejringstilstanden svarer ikke til, at en milliard elektroner flyder den ene vej og en milliard andre flyder den anden vej. Superledende elektroner bevæger sig en masse. Alle de superledende elektroner i SQUID flyder begge veje rundt i ringen samtidigt, når de er i Schrödingers kat tilstanden.
     Der er imidlertid vigtige forskelle mellem disse anordninger og det kanoniske tankeeksperiment. I det indbildte scenario er overlejringen af levende og død kat inde i kassen statisk, fra det tidspunkt den skabes og til det tidspunkt eksperimentatoren ser det ene eller det andet resultat. Der er her to idealiseringer på spil. Den ene er, at kassens indre er så godt isoleret, at overlejringen forbliver uforstyrret, indtil låget åbnes. I de nuværende SQUID eksperimenter ødelægger nærtliggende anordninger denne isolation og overlejringerne dekohærer hurtigt, muligvis inden for nogle få nanosekunder.
     Den anden idealisering drejer sig om, at der er to nært relaterede overlejringer: man kan have den levende tilstand plus den døde tilstand eller den levende tilstand minus den døde tilstand. Hvad katten angår er den matematiske skelnen uden betydning. Hvert tilfælde udgør en 50 procents dødelighedsrate. I modsætning hertil forudsiger kvantemekanikken for SQUID eksperimenterne, at de to alternativer vil have lidt forskellige energier. Detektionen af denne energiforskel er måden, hvorpå de to eksperimenter udledte, at kattetilstanden blev opnået.
     Eksistensen af to forskellige overlejringstilstande med uens energi medfører også, at en oscillerende tilstand skulle kunne observeres: i dette tilfælde vil sandsynligheden for at detektere strømmen med uret oscillere mellem 0 og 100 procent, afhængigt af tidsforsinkelsen fra tilstandens forberedelse til målingen. Skønt det kan lyde mindre bizart end en statisk overlejring, så tænk over hvad det ville betyde for katten: medens kassen forbliver forseglet ville katten oscillere fra 100 procent levende til 100 procent død og tilbage!
     Leggett betragter sådanne oscillationseksperimenter (på SQUID, ikke katte) som afgørende mål, når man tester kvantemekaniske forudsigelser. Så vil fysikerne undersøge nøjagtigt, hvad der sker inde i Schrödingers forseglede kattekasse. Begge grupper arbejder på at udvikle netop denne evne.

Oversat fra Schrödingers SQUID, Scientific American, oktober 2000, pp. 15-16.

18. oktober, 2000.

Index