Det kan finnas ett sätt att smyga en topp vid Schrödingers katt - det berömda kattbaserade tankeexperimentet som beskriver det mystiska beteendet hos subatomära partiklar - utan att permanent döda det (hypotetiska) djuret.
Den olyckliga, imaginära katten är samtidigt levande och död inuti en låda, eller finns i en superposition av "döda" och "levande" tillstånd, precis som subatomära partiklar finns i en superposition av många tillstånd på en gång. Men tittar inuti lådan förändrar kattens tillstånd, som sedan blir antingen levande eller död.
Nu beskriver dock en studie som publicerades 1 oktober i New Journal of Physics ett sätt att potentiellt kika på katten utan att tvinga den att leva eller dö. På så sätt främjar det forskarnas förståelse av en av de mest grundläggande paradoxerna i fysiken.
I vår vanliga storskaliga värld ser det inte ut att se på ett objekt förändra det. Men zooma in nog, och det är inte fallet.
"Vi tror normalt sett att priset vi betalar för att titta inte är någonting", säger studieförfattaren Holger F. Hofmann, docent i fysik vid Hiroshima University i Japan. "Det är inte korrekt. För att se ut måste du ha ljus och ljus förändrar objektet." Det beror på att även en enda foton av ljus överför energi bort från eller till objektet du tittar på.
Hofmann och Kartik Patekar, som var en gäststudent vid Hiroshima University vid den tiden och nu är på Indian Institute of Technology Bombay, undrade om det fanns ett sätt att titta utan att "betala priset." De landade på en matematisk ram som skiljer den inledande interaktionen (tittar på katten) från avläsningen (att veta om den är levande eller död).
"Vår huvudsakliga motivation var att titta mycket noggrant på hur en kvantmätning sker," sade Hofmann. "Och den viktigaste punkten är att vi separerar mätningen i två steg."
Genom att göra detta kan Hoffman och Patekar anta att alla fotoner som är involverade i den första interaktionen, eller kikar på katten, fångas utan att förlora någon information om kattens tillstånd. Så före avläsningen finns allt som finns att veta om kattens tillstånd (och om och hur man tittar på den förändrade det) fortfarande tillgängligt. Det är först när vi läser informationen att vi förlorar en del av den.
"Det som är intressant är att avläsningsprocessen väljer en av de två typerna av information och raderar den andra helt," sade Hofmann.
Så här beskrev de sitt arbete i termer av Schrödingers katt. Säg att katten fortfarande är i lådan, men snarare än att titta inuti för att avgöra om katten är levande eller död, ställer du in en kamera utanför lådan som på något sätt kan ta en bild inuti den (för tankeexperimentets skull, bortse från det faktum att fysiska kameror inte fungerar så). När bilden tagits har kameran två slags information: hur katten förändrats till följd av att bilden togs (vad forskarna kallar en kvanttagg) och om katten är levande eller död efter interaktionen. Ingen av dessa uppgifter har gått förlorade än. Och beroende på hur du väljer att "utveckla" bilden hämtar du den ena eller den andra informationen.
Tänk på en myntflip, sa Hofmann till Live Science. Du kan välja att antingen veta om ett mynt vipps eller om det för närvarande är huvud eller svansar. Men du kan inte veta båda. Dessutom, om du vet hur ett kvantsystem har ändrats, och om den förändringen är reversibel, är det möjligt att återställa dess ursprungliga tillstånd. (När det gäller myntet skulle du vända tillbaka det.)
"Du måste alltid störa systemet först, men ibland kan du ångra det," sade Hofmann. När det gäller katten skulle det innebära att ta en bild, men istället för att utveckla den för att se katten tydligt, utveckla den på ett sådant sätt att katten återgår till sitt döda och levande limbotillstånd.
Av avgörande betydelse kommer valet av avläsning med en avvägning mellan upplösningen av mätningen och dess störningar, som är exakt lika, visar papperet. Resolutionen hänvisar till hur mycket information som utvinns från kvantsystemet, och störningen hänför sig till hur mycket systemet ändras irreversibelt. Med andra ord, ju mer du vet om kattens nuvarande tillstånd, desto mer har du oändligt förändrat den.
"Vad jag tyckte förvånande är att förmågan att ångra störningen är direkt relaterad till hur mycket information du får om den observerbara," eller den fysiska mängden de mäter, sa Hofmann. "Matematiken är ganska exakt här."
Även om tidigare arbete har pekat på en avvägning mellan upplösning och störning i en kvantmätning, är detta papper det första som kvantifierar det exakta förhållandet, berättade Michael Hall, en teoretisk fysiker vid Australian National University, till Live Science i en e-post.
"Så vitt jag vet har inga tidigare resultat formen av en exakt jämlikhet relaterad till upplösning och störningar," sade Hall, som inte var inblandad i studien. "Detta gör metoden i papperet väldigt snygg."
