Schrödinger kaldte sin metaforiske kat “ganske latterlig”, men den kvanteunderhed, den repræsenterer, er blevet et nyttigt benchmark for kvanteberegningsindustrien, finder vores kvantekolumnist Karmela Padavic-Callaghan
Den metaforiske kat, der repræsenterer kvante underlighed, er sluppet ud
For flere uger siden blev jeg krøllet over en bærbar computer med to forskere fra IBM for at lære om en Schrödingers kat, de havde lavet i en af deres kvantecomputere. Det var en stor – stor nok, lærte jeg, at betragtes som bevis på, at deres computer var værd at være opmærksom på.
Nu var dette ikke en rigtig kat med poter og whiskers, selvfølgelig, men en metaforisk en lavet af små superledende kredsløb kaldet QUBITS. Kvantfysikere bruger dette sprog hele tiden og henviser til dyret fra det berømte tankeeksperiment, som Erwin Schrödinger skrev om i 1935.
Schrödinger forsøgte ikke at skrive et papir om en kat, men snarere en om den “nuværende situation i kvantemekanik”. Denne situation omfattede håndsvingning over, hvordan man fortolker unikke kvantekombinationer af stater kaldet superpositioner. Når et kvanteobjekt som et elektron er i en superposition af to stater, er det umuligt at fortælle, hvilken af staterne der faktisk afspejler sandheden uden direkte at måle den.
Det er her katten kommer ind. I Schrodinger’s tankeeksperiment er en kat begrænset i et stålkammer, hvor der er en 50 procent chance for, at den vil overleve, og en 50 procent chance for, at en “diabolisk enhed” vil dræbe det. Når han skrev noget med tungen i kinden, konkluderede Schrödinger, at katten på reglerne for kvantemekanik er bundet til at ende i en superposition af at være både død og levende. For at finde ud af, om katten lever eller ej, skal en fysiker sprænge kammeret. ”Tilgiv udtrykket,” skrev Schrödinger, før han beskrev dyret som ”blandet eller smurt ud i lige store dele”.
Schrödinger kaldte sin kat en “ganske latterlig sag”. IBM -forskerne kaldte det et benchmark. Quantum Zeitgeist har helt klart ændret sig.
Denne kvantekat understreger, hvordan forholdet mellem matematisk teori og virkelighed ikke er i nærheden af ligetil for kvanteobjekter. Og fordi vi er store og varme, i modsætning til en partikel, oplever vi simpelthen ikke denne kvante mærkelighed i vores hverdag.
Fysikere er stort set enige om, at det ville være umuligt at sætte en faktisk kat i en kvantesuperpositionstilstand. I 2021 hævdede et team af forskere at have gjort en tardigrade forbløffende koldt, og satte det derefter i en kvantetilstand kaldet sammenfiltring, delt med et lille superledende kredsløb. Men dette temmelig ekstreme tilfælde blev ikke modtaget godt af alle: Kritikere hævdede, at forskerne ikke havde været i stand til at bevise, at en tydeligt kvanteegenskab for tardigrade var forbundet til kredsløbet på en måde, der ikke er mulig i klassisk fysik.
At lade katten ud af posen
Appellen fra Schrödingers kat er kun intensiveret gennem årene. I cirka fire årtier optrådte omtaler af det virkelig kun i essays om filosofi. Men så, i 1974, udgav den ikoniske science fiction -forfatter Ursula K. Le Guin en novelle med titlen Schrödingers kathvor en sorgfuld fortæller møder en gul kat, der kan høre til Schrödinger selv.
I historien ender katten i et kammer udstyret med en diabolisk enhed, men når fortælleren åbner den, er dyret intetsteds at finde – og taget af fortællerens hus blæser af, og inviterer læseren til at spekulere i, om fortælleren var underlagt en diabolisk enhed af deres egne hele tiden. Referencer bugner af science fiction skrevet i årene efter Le Guins historie. I dag er Schrödinger’s Cat en popkulturbærende, der pryder alt fra t-shirts til kaffekrus til optræden i animerede serier som Futuramalangt mere end som symbolet på eksistentiel usikkerhed, som Le Guin ser ud til at have været efter.
Fysikere kom aldrig ud af Schrödinger -kattebranchen. For det første blev de ekstremt dygtige til at fremstille kvantesuperpositionstilstande, hvad enten det er fra ekstremt kolde atomer, partikler af lys, qubits eller endda mikroskopiske membraner, der ikke er forskellige til minuscule trommer. I 2023 placerede forskere en krystal, der omfattede 10 quadrillion-atomer-omkring hundrede så mange som udgør en krystal af bordsalt-i en superpositionstilstand, der sætter en ny rekord for makroskopiske genstande i kattelignende tilstande.
At skubbe antallet af atomer i sådanne eksperimenter til større og større værdier viser os, hvor langt rækkevidden af kvanteeffekter kan udvide. Men kvantestater inspireret af Schrödinger’s Cat er også nyttige – det er det, der fik mig til at tale med disse IBM -forskere. Deres katts officielle navn var Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) -staten, som de skabte fra 120 qubits.
Disse qubits blev begge sat i en superposition og forbundet gennem den uløselige forbindelse mellem kvanteforvikling. Effekten var velkendt: Alle af dem var i en kombination af to ellers gensidigt eksklusivilstande, der repræsenterede beregningsværdier på 0 og 1, et scenarie, der simpelthen ikke kan eksistere i ikke-kvantumobjekter.
Forvikling forventes at være den vigtigste ingrediens for at få kvantecomputere til at springe fra verdens bedste supercomputere på flere opgaver i fremtiden, og GHz -tilstande bruges i mange af deres beregninger. Hvis du har en kvantecomputer, vil du have, at den skal være god nok til at opretholde store GHz -tilstande, så disse bruges ofte som benchmark. I 2024 talte jeg med en forsker, der havde lavet en 60-qubit GHz-stat, som han udpegede som den “fedeste” kat på det tidspunkt. IBM’s Cat, dobbelt så stor som størrelsen, er derfor en veritabel tungvægtmester.
IBM -teamet gjorde også sin GHz -tilstand “logisk”, hvilket betyder, at det kunne registrere fejl i qubits under beregningen. Dette er vigtigt, fordi en af de største hindringer, som dagens kvantecomputere står overfor på vejen til at blive virkelig nyttig, er, at de simpelthen begår for mange fejl.
Jeg besøgte engang en af IBMs kvante computingfaciliteter. I stedet for et stålkammer, fandt jeg mig selv stående inde i det, der i det væsentlige var et meget stort køleskab, som normalt ville indeholde en kvantecomputer, fordi disse enheder ikke fungerer, medmindre de er superkoldt. Det er et mindre latterligt billede, end Schrödinger forestillede sig, skønt jeg stadig var i et slags kammer.
Schrödinger døde i 1961, to årtier før den første konference om beregningsfysik, hvor Paul Benioff og Richard Feynman hævdede separat, at der ikke kun kunne bygges kvantecomputere, men de kan være nødvendige, hvis vi nogensinde skal forstå kvanteområdet fuldt ud. Alle disse år senere skar Schrödingers idé stadig tankerne fra dagens kvantefysikere og ingeniører. Den ganske latterlige kat fandt trods alt en måde at holde sig i live på.