7 декабря 2016, среда

Квантовый скачок. Знаменитый кот Шредингера не совсем умер и вообще их два

Кот Шредингера давно стал культурным феноменом - его упоминают в сериалах и даже печатают на футболках. Но это не значит, что его роль в науке уже исчерпана
RedBubble

Кот Шредингера давно стал культурным феноменом - его упоминают в сериалах и даже печатают на футболках. Но это не значит, что его роль в науке уже исчерпана

Результаты эксперимента американских ученых могут привести к пересмотру основ квантовой механики. Это в свою очередь чревато переосмыслением фундаментальной картины мира, в котором мы живем.

О коте Шредингера не слышали в наши дни разве что пациенты психиатрических клиник, которым не включают телевизор, и обитатели отдаленных тихоокеанских архипелагов.

Самый крупный вклад в популяризацию кота Шредингера сделали несколько лет назад авторы известного сериала Теория Большого взрыва.

Герой телешоу физик Шелдон Купер пытался с помощью этого примера объяснить необразованной официантке Пенни, что ее отношения с молодым человеком находятся в неопределенном состоянии до тех пор, пока пара не начнет встречаться.


Кот Шредингера то ли жив, то ли мертв, а возможно еще и существует в нескольких местах одновременно
Кот Шредингера то ли жив, то ли мертв, а возможно, еще и существует в нескольких местах одновременно


С точки зрения Шелдона, именно мысленный эксперимент великого физика Шредингера с котом в закрытой коробке, судьба которого не определена, пока коробка не будет открыта, лучше всего иллюстрировал загадочность человеческих отношений.

Авторы сериала, очевидно, хотели пошутить на тему того, насколько плохо ученый-социопат разбирается в людях, но, возможно, Шелдон был не так уж далек от истины.

Недавний эксперимент физиков из Йельского университета свидетельствует, что квантовая механика может в корне изменить картину мира, которой мы привыкли руководствоваться. И опять прорыв стал возможен благодаря пресловутому коту.

Суперпозиция

Австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер, пожалуй, не столь известен широкой публике, как Альберт Эйнштейн или Нильс Бор. Но его вклад в современную физику огромен.

Шредингер - один из отцов квантовой механики, лауреат Нобелевской премии. В его честь даже названы площадь в Вене, один из лунных кратеров и астероид средних размеров.

Свой знаменитый мысленный эксперимент, навсегда обессмертивший его имя, Шредингер предложил в 1935 году в статье, которая была частью научной дискуссии с участием Альберта Эйнштейна.

Шредингер пытался как можно убедительнее выразить свое представление о природе квантовой механики. В частности, описать состояние "суперпозиции", которое представляет собой смешение двух состояний объекта в момент, когда наблюдатель с ним не взаимодействует.

Суть мысленного эксперимента Шредингера заключается в следующем.

В стальной камере заперт кот. Вместе с ним в камеру помещена "адская машина", представляющая собой счетчик Гейгера с крохотным количеством радиоактивного вещества. Настолько крохотным, что в течение часа может распасться только один атом. Но вероятность того, что он распадется - 50 на 50. То есть она равна вероятности того, что распад не произойдет.



Если атом все же распадется, то считывающая трубка разрядится и сработает реле, которое спустит молот, разбивающий колбу с синильной кислотой.

Иными словами, в течение каждого часа вероятность того, что кот останется жив, составляет 50 на 50.

Состояние кота (жив он или мертв) не ясно, пока наблюдатель не откроет стальную камеру. И пока этого не случится, состояние кота будет описываться как "суперпозиция", то есть он жив и мертв одновременно. Открыв камеру, наблюдатель изменит квантовое состояние кота.

Представление о том, что объект может обладать "суперпозицией", с тех пор является фундаментальным посылом квантовой механики. В частности, именно на этом базируется направление квантовых компьютеров, которые грозят перевернуть мировую IT-индустрию.

Двойной кот

Ученые из Йельского университета провели эксперимент, который позволил расширить и "усугубить" мысленный эксперимент Шредингера.

Ученые сделали "кота" из 80 фотонов, которые были запутаны между собой в резонаторе. Резонатор представляет собой прибор, который задает всем фотонам одинаковую длину.

И таких резонаторов в йельском эксперименте было два. Ученые связали их между собой замкнутым полупроводником.


Квантова механика сулит человечеству радикальные научные прорывы уже в ближайшем будущем, уверены ученые
Квантовая механика сулит человечеству радикальные научные прорывы уже в ближайшем будущем, уверены ученые


Такое "раздвоение" кота Шредингера позволило совместить идею австрийского физика с другой доминирующей концепцией квантовой механики - квантовой запутанности.

Теория квантовой запутанности допускает, что локальное наблюдение за объектом позволяет удаленно менять его состояние.



Проще говоря, в ходе йельского эксперимента то, что происходит с фотонами в одном резонаторе, должно отражаться на фотонах во второй камере. Эйнштейн, предполагавший, что такое возможно, когда-то назвал это явление "жутким взаимодействием".

На практике вышло не так уж и жутко.

Камера, выстроенная из алюминия, состояла из двух полостей, внутри которых был запущен микроволновой свет. Сверхвысокочастотные фотоны стали ударяться о стенки полостей, что позволило им соединяться с атомом искусственного сверхпроводящего сапфира.

Квантовая запутанность позволила изменению состояния одного фотона менять состояние другого фотона, хотя они были разделены.

По словам Чена Уонга, одного из авторов исследования, суть эксперимента заключалась в том, что судьба фотонов в двух резонаторах связана. "Это большой и умный кот, состояние которого разделено между двумя полостями и не может быть описано по отдельности", - поясняет Чен.


Великий физик Эрвин Шредингер задал миру загадку, которая может вести к серьезному научному прорыву
Великий физик Эрвин Шредингер задал миру загадку, которая может вести к серьезному научному прорыву


Иными словами, в ходе эксперимента стало понятно, что "кот" может не только быть одновременно и живым, и мертвым, но и вообще находиться в двух разных местах. Естественно, до тех пор, пока один из резонаторов не будет "открыт".

Но самое главное - о существовании живого/мертвого двойного "кота" можно узнать, только если "открыть" оба резонатора - в противном случае наблюдатель увидит набор не связанных друг с другом фотонов.

Что это значит?

Йельский эксперимент обещает скоро найти себе применение в области квантовых компьютеров.

Ранее предполагалось, что квантовые компьютеры могут производить вычисления ощутимо быстрее, чем обычные, именно благодаря возможностям, которые предоставляет суперпозиция.



В обычном компьютере информация хранится в битах, каждый из которых может иметь лишь одно значение (0 или 1). Квантовые компьютеры хранят информацию в кубитах, которые могут пребывать в "суперпозиции", то есть иметь больше, чем одно значение в определенный момент времени. Это дает возможность многократно увеличивать производительность системы.

Но после Йельского эксперимента в области квантовых компьютеров намечается новый прорыв. Ведь получается, что вычислительные ячейки можно множить и разделять между собой, сохраняя между ними связь, а следовательно, опять-таки наращивать общую производительность системы.

Кроме того, эксперимент ценен и своими масштабами. 80 фотонов - это уже весьма крупный "кот". Не за горами момент, когда ученые смогут создать "кота", которого можно будет увидеть невооруженным взглядом. Это позволит наконец понять, почему люди не ощущают квантовых эффектов в реальной жизни.

О важности исследований ученых из Йельского университета свидетельствует и тот факт, что их финансирует подразделение научных исследований при Министерстве обороны США.

Комментарии

1000

Правила комментирования
Показать больше комментариев

Последние новости

ТОП-3 блога

Фото

ВИДЕО

Читайте на НВ style

Наука ТОП-10

Подписка на новости
     
Погода
Погода в Киеве

влажность:

давление:

ветер: