Все те, кто хотя бы раз слышал о квантовой механике, наверняка слышали историю о коте Шредингера: мысленный эксперимент австрийского физика-теоретика Эрвина Шрёдингера, где кот, оставленный в коробке с опасным радиоактивным веществом, одновременно может находиться в двух состояниях — мертвом и живом. Так вот, современным ученым из Вены и Нью-Йорка удалось в какой-то степени доказать такую возможность при учете квантовой запутанности.
Изображение выше было получено при использовании трафарета кота и запутанных фотонов. Интересность здесь заключается в том, что фотоны, которые использовались для создания изображения, никогда не взаимодействовали с трафаретом, а фотоны, которые были направлены на трафарет, на самом деле никогда не были направлены в камеру.
Согласно квантовой механике, когда две раздельные частицы находятся в состоянии запутанности, их физические свойства налагаются друг на друга, и они начинают находиться в одном и том же квантовом состоянии, в состоянии суперпозиции. Другими словами, когда кот может быть одновременно и мертвым и живым. Так вот, Габриэла Баррето Лемос из Австрийской академии наук в Вене со своими коллегами, используя эту квантовую связь между частицами, смогла создать изображение кота без прямого фотографирования его трафарета.
Для того чтобы это сделать, ученые, используя лазеры, создали две пары из желтых и красных запутанных фотонов. Желтые фотоны были направлены на трафарет кота, а красные фотоны были направлены в камеру. Благодаря своей запутанности, красные фотоны переняли физические свойства желтых фотонов и образовали изображение кота. Так как трафарет кота был прозрачным при красном свете, камера могла фиксировать только красный свет. Проведенный эксперимент продемонстрировал то, что подобная техника позволяет делать изображения объектов, невидимых для обнаруженных фотонов.
Теоретики объяснили, как гравитация убивает кота Шрёдингера
Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера с котом, помещённым в непрозрачную коробку с механизмом смерти, который сработает с 50% вероятностью, был сформулирован, чтобы проиллюстрировать парадоксальность понятия квантовой суперпозиции. Это явление подразумевает, что частица (кот) будет находиться сразу в нескольких состояниях одновременно (жив и мёртв) до тех пор, пока её не измерят (коробку не откроют и не посмотрят на кота).
Волнообразный рисунок — следствие квантовой интерференции частицы с самой собой (иллюстрация Pikovski/Nature Physics).
Как правило, физики объясняют феномен того, что суперпозиция возможна в мире частиц, но невозможна с котами или другими макрообъектами, помехами от окружающей среды. Когда квантовый объект проходит сквозь поле или взаимодействует со случайными частицами, он тут же принимает всего одно состояние — как если бы его измерили. Именно так и разрушается суперпозиция, как полагали учёные.
Но даже если каким-либо образом стало возможным изолировать макрообъект, находящийся в состоянии суперпозиции, от взаимодействий с другими частицами и полями, то он всё равно рано или поздно принял бы одно-единственное состояние. По крайней мере, это верно для процессов, протекающих на поверхности Земли.
"Где-то в межзвёздном пространстве, может быть, кот и имел бы шанс сохранить квантовую когерентность, но на Земле или вблизи любой планеты это крайне маловероятно. И причина тому — гравитация", — поясняет ведущий автор нового исследования Игорь Пиковский (Igor Pikovski) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Пиковский и его коллеги из Венского университета утверждают, что гравитация оказывает разрушительное воздействие на квантовые суперпозиции макрообъектов, и потому мы не наблюдаем подобных явлений в макромире. Базовая концепция новой гипотезы, к слову, кратко изложена в художественном фильме "Интерстеллар".
Эйнштейновская общая теория относительности гласит, что чрезвычайно массивный объект будет искривлять вблизи себя пространство-время. Рассматривая ситуацию на более мелком уровне, можно сказать, что для молекулы, помещённой у поверхности Земли, время будет идти несколько медленнее, чем для той, что находится на орбите нашей планеты.
Из-за влияния гравитации на пространство-время молекула, попавшая под это влияние, испытает отклонение в своём положении. А это, в свою очередь, должно повлиять и на её внутреннюю энергию — колебания частиц в молекуле, которые изменяются с течением времени. Если молекулу ввести в состояние квантовой суперпозиции двух локаций, то соотношение между положением и внутренней энергией вскоре заставило бы молекулу "выбрать" только одну из двух позиций в пространстве.
"В большинстве случаев явление декогеренции связано с внешним влиянием, но в данном случае внутреннее колебание частиц взаимодействует с движением самой молекулы", — поясняет Пиковский.
Этот эффект пока что никто не наблюдал, поскольку другие источники декогеренции, такие как магнитные поля, тепловое излучение и вибрации, как правило, гораздо сильнее, и вызывают разрушение квантовых систем задолго до того, как это сделает гравитация. Но экспериментаторы стремятся проверить высказанную гипотезу.
Маркус Арндт (Markus Arndt), физик-экспериментатор из Венского университета, проводит опыты по наблюдению квантовой суперпозиции у макроскопических объектов. Он посылает небольшие молекулы в интерферометр, фактически предоставляя частице "выбор", какой дорогой пойти. С точки зрения классической механики молекула может пройти только одним путём, но квантовая молекула может пройти сразу двумя путями, интерферируя сама с собой и создавая характерный волнообразный рисунок.
Подобная установка также может быть использована для проверки способности гравитации разрушать квантовые системы. Для этого необходимо будет сравнить вертикальный и горизонтальный интерферометры: в первом суперпозиция должна будет вскоре исчезнуть из-за растяжения времени на разных "высотах" пути, тогда как во втором квантовая суперпозиция может и сохраниться.
Арндт уже провёл эксперимент с молекулами, состоящими из 810 атомов, и сообщил, что подобные сложные молекулы идеально подходят для тестирования гипотезы, так как в их составе присутствует большое количество частиц, способствующих изменению внутренней энергии. Но для полноценного проведения подобного опыта потребуется сведение на нет влияния любых внешних эффектов среды, которые разрушат квантовую систему до того, как это сделает гравитация.
Результаты теоретического исследования описаны в статье журнала Nature Physics.
