Реинкарнация кота Шрёдингера

Одна из самых интересных и животрепещущих научных проблем – связь между квантовым миром и классической физикой. Каким образом происходит так называемый коллапс волновой функции, а знаменитый кот Шрёдингера покидает смешанное состояние и вдруг оказывается либо жив, либо мёртв?

Британские учёные решили добавить ещё немного тумана в этом вопросе и провели эксперимент, в ходе которого им удалось подставить под сомнение одну из основ квантовой теории – эффект наблюдателя.

Согласно интерпретации квантовой механики Бора и Гейзенберга (её ещё называют "Копенгагенской"), изменение квантового состояния объекта, например фотона, происходит при его измерении. До измерения фотон находится в так называемой суперпозиции – то есть во всех вероятных состояниях, в том числе противоречащих друг другу.

[cut]Как, например, в знаменитом мысленном эксперименте Эрвина Шрёдингера.


Шрёдингер для иллюстрации редукции волновой функции предложил следующий мысленный эксперимент. В закрытый ящик помещён кот. В ящике также имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры устройства подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает ёмкость с газом, и кот умирает. Согласно "Копенгагенской интерпретации", если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний, и мы не можем сказать, что на самом деле с котом. Они находится в состоянии "ни жив ни мёртв". Но ведь в реальной жизни кот не может быть одновременно в двух состояниях! (иллюстрация с сайта wikimedia.org)

Надав Кац (Nadav Katz) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (University of California, Santa Barbara) и его коллеги опубликовали результаты другого, быть может, не столь захватывающего, но зато вполне лабораторного опыта.

Учёным удалось "вернуть" квантовое состояние частицы обратно. Причём после измерения этого самого состояния. Фактически это означает, что можно сохранить жизнь коту вне зависимости от условий коллапса волновой функции. Жив ли он, мёртв ли – не важно. Мы всегда может отыграть обратно.

По словам Маркуса Бюттикера (Markus Büttiker) из университета Женевы (Université de Genéve), для сторонников "Копенгагенской интерпретации" любое упоминание о возможности обратного коллапса, то есть возврата в квантовое состояние неопределённости, кажется поразительным: "Открыв коробку, мы должны увидеть какое-то одно из двух возможных состояний кота – других вариантов быть не должно".

Тем не менее, согласно более ранней интерпретации квантовой механики, предполагавшей так называемую квантовую декогерентность, редукция не считалась каким-то внезапным процессом. Наоборот, квантовое состояние, утверждает эта теория, должно "плавно" коллапсировать, по мере того как квантовая система взаимодействует с окружающей средой.

Ещё в 2006 году Александр Коротков (Alexander Korotkov) из Калифорнийского университета в Риверсайде (University of California, Riverside) и Эндрю Джордан (Andrew Jordan) из университета Рочестера (University of Rochester) показали, что должен существовать какой-то интервал, во время которого можно остановить редукцию.

Доктор Кац и его группа решили подтвердить возможность получения такого эффекта экспериментально и измерили изменение квантового состояния сверхпроводникового фазового (потокового) кубита.



Вспомним о соотношении неопределённостей Гейзенберга: всякий квантовый объект характеризуется чем-то вроде координаты Х и импульса Р, которые не могут одновременно принимать точно определённые значения. Такие переменные называются в квантовой механике сопряжёнными между собой. Какой из этих двух переменных характеризовать квантовое состояние нашей системы – вопрос удобства. Кубит – это такая система, в которой число частиц аналогично импульсу, а фазовая переменная (энергетическое состояние) – координате. Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета (Technische Universiteit Delft) несколько лет назад и с тех пор активно изучается. На иллюстрации показана элементарная схема фазового кубита и его фотография (изображение Ioffe L. B., et al/Nature).

Кубит может иметь два энергетических состояния – высокое и низкое. Американские учёные разработали такую его схему, чтобы он мог находиться в любом из них, то есть фактически поддерживать суперпозицию. Это, напомним, соответствует состоянию шрёдингеровского кота — "ни жив ни мёртв".

Любая попытка измерить энергию напрямую должна была, по классическим представлениям, "заставить" кубит оказаться в одном из двух состояний, то есть вызвать редукцию волновой функции. Но в новом эксперименте этого удалось избежать!

В чём же успех?

"Фокус в том, что можно хитрым образом измерить энергию косвенно", — объясняет руководитель исследования.

Американцы решили использовать туннельный эффект, когда микрочастица способна переходить в другое состояние, а её энергия при этом меньше определённого барьера, требуемого законами классической физики.

В ходе эксперимента варьировали "высоту" барьера так, чтобы устройству было сложнее изменить фазу (магнитного потока). Для инициации перехода с одного уровня на другой установку облучали микроволновым импульсом – "перемещая" высокоэнергетический кубит на более низкий уровень, и наоборот.



Открытый в кубитах (на иллюстрации) эффект, возможно, позволит разработать новую, более точную и устойчивую модель квантового компьютера, считают авторы эксперимента (фото с сайта nwo.nl).

Поскольку момент фазового "скачка" фиксировался аппаратурой (он сопровождается сигнальным колебанием магнитного поля), радостные учёные смогли косвенно измерить энергетическое состояние кубита. "Это означает, что мы смогли измерить коллапс и избежать при этом влияния эффекта наблюдателя", — говорит доктор Кац.

Если упростить полученные результаты, то это приблизительно равнозначно тому, как если бы мы открыли крышку ящика, убедились, что кот жив, и закрыли крышку обратно, вернув его в исходное, неопределённое состояние.

Поскольку энергетических уровней всего два, то при измерении они вызывали отмену предыдущего состояния.

Полученные отзывы уже характеризуют результаты эксперимента как "прорыв". Так, например, думает профессор Бюттикер.

А специалист по квантовой физике Влатко Ведрал (Vlatko Vedral) из университета Лидса (University of Leeds) считает, что результаты эксперимента могут привести к пересмотру всей системы восприятия "классической" реальности: "Теперь мы даже не можем сказать, что измерения формируют реальность, – ведь можно элиминировать эффекты замеров и начать всё заново".

"Квантовый мир стал ещё более хрупким, а реальность ещё более таинственной", – резюмирует Максимилиан Шлоссхауэр (Maximilian Schlosshauer) из университета Мельбурна (University of Melbourne).

Вспоминаются слова Ньютона о том, что он ощущает себя маленьким мальчиком, играющим в камушки на берегу огромного океана истины. Только теперь получается, что чем больше камень, брошенный в этот океан, тем выше поднимается его уровень.

Этот закон ещё Архимед открыл.

Источник
[/cut]