3 грудня 2016, субота

Квантовий стрибок. Знаменитий кіт Шредінгера не зовсім помер і взагалі їх два

Кіт Шредінгера давно став культурним феноменом - його згадують в серіалах і навіть друкують на футболках. Але це не означає, що його роль у науці вже вичерпана
RedBubble

Кіт Шредінгера давно став культурним феноменом - його згадують в серіалах і навіть друкують на футболках. Але це не означає, що його роль у науці вже вичерпана

Результати експерименту американських вчених можуть призвести до перегляду засад квантової механіки. Це своєю чергою загрожує переосмисленням фундаментальної картини світу, в якому ми живемо.

Про кота Шредінгера не чули в наші дні хіба що пацієнти психіатричних клінік, яким не вмикають телевізор, і мешканці віддалених тихоокеанських архіпелагів.

Найбільший внесок у популяризацію кота Шредінгера зробили кілька років тому автори відомого серіалу Теорія Великого вибуху.

Герой телешоу фізик Шелдон Купер намагався за допомогою цього прикладу пояснити неосвіченій офіціантці Пенні, що її стосунки з хлопцем перебувають у невизначеному стані доти, доки пара не почне зустрічатися.


Кот Шредингера то ли жив, то ли мертв, а возможно еще и существует в нескольких местах одновременно
Кіт Шредінгера або живий, або мертвий, а можливо, ще й існує в декількох місцях одночасно


З точки зору Шелдона, саме уявний експеримент великого фізика Шредінгера з котом в закритій коробці, доля якого не визначена, поки коробку не буде відкрито, якнайкраще ілюстрував загадковість людських стосунків.

Автори серіалу, очевидно, хотіли пожартувати на тему того, наскільки кепсько вчений-соціопат розбирається в людях, але, можливо, Шелдон був не такий вже далекий від істини.

Нещодавній експеримент фізиків з Єльського університету свідчить, що квантова механіка може докорінно змінити картину світу, якою ми звикли керуватися. І знов прорив став можливий завдяки тому самому коту.

Суперпозиція

Австрійський фізик-теоретик Ервін Шредінгер, мабуть, не настільки відомий широкій публіці, як Альберт Ейнштейн чи Нільс Бор. Але його внесок до сучасної фізики величезний.

Шредінгер - один з батьків квантової механіки, лауреат Нобелівської премії. На його честь навіть названі площа у Відні, один з місячних кратерів і астероїд середніх розмірів.

Свій знаменитий уявний експеримент, який увіковічнив його ім'я, Шредінгер запропонував 1935 року в статті, яка була частиною наукової дискусії за участю Альберта Ейнштейна.

Шредінгер намагався якомога переконливіше висловити своє уявлення про природу квантової механіки. Зокрема, описати стан "суперпозиції", що є сумішшю двох станів об'єкта в момент, коли спостерігач з ним не взаємодіє.

Суть уявного експерименту Шредінгера така.

У сталевій камері замкнено кота. Разом з ним до камери поміщено "пекельну машинку" – лічильник Гейгера з крихітною кількістю радіоактивної речовини. Настільки крихітною, що протягом години може розпастися тільки один атом. Але ймовірність того, що він розпадеться - 50 на 50. Тобто вона дорівнює ймовірності того, що розпад не відбудеться.



Якщо атом все ж розпадеться, то зчитувальна трубка розрядиться і спрацює реле, яке спустить молот, що розбиває колбу з синильною кислотою.

Інакше кажучи, протягом кожної години ймовірність того, що кіт залишиться живим, становить 50 на 50.

Стан кота (живий він чи мертвий) не зрозумілий, поки спостерігач не відчинить сталеву камеру. І поки цього не станеться, стан кота буде описуватися як "суперпозиція", тобто він живий і мертвий одночасно. Відчинивши камеру, спостерігач змінить квантовий стан кота.

Уявлення про те, що об'єкт може мати "суперпозицію", відтоді є фундаментальним посилом квантової механіки. Зокрема, саме на цьому базується напрямок квантових комп'ютерів, які загрожують перевернути світову IT-індустрію.

Подвійний кіт

Вчені з Єльського університету здійснили експеримент, який дозволив розширити і "посилити" уявний експеримент Шредінгера.

Вчені зробили "кота" із 80 фотонів, які були заплутані між собою в резонаторі. Резонатор – це прилад, який задає всім фотонам однакову довжину.

І таких резонаторів в єльському експерименті було два. Вчені пов'язали їх між собою замкнутим напівпровідником.


Квантова механика сулит человечеству радикальные научные прорывы уже в ближайшем будущем, уверены ученые
Квантова механіка обіцяє людству радикальні наукові прориви вже в найближчому майбутньому, впевнені вчені


Таке "роздвоєння" кота Шредінгера дозволило поєднати ідею австрійського фізика з іншою панівною концепцією квантової механіки - квантовою заплутаністю.

Теорія квантової заплутаності допускає, що локальне спостереження за об'єктом дозволяє віддалено змінювати його стан.



Простіше кажучи, під час єльського експерименту те, що відбувається з фотонами в одному резонаторі, має позначатися на фотонах в другій камері. Ейнштейн, який передбачав, що таке можливо, колись назвав це явище "моторошною взаємодією".

На практиці вийшло не настільки лячно.

Камера, вибудована з алюмінію, складалася з двох порожнин, всередині яких було запущено мікрохвильове світло. Надвисокочастотні фотони стали вдарятися об стінки порожнин, що дозволило їм з'єднуватися з атомом штучного надпровідного сапфіра.

Квантова заплутаність дозволила зміні стану одного фотона змінювати стан іншого фотона, хоча вони були розділені.

За словами Чена Уонга, одного з авторів дослідження, суть експерименту полягала в тому, що доля фотонів у двох резонаторах пов'язана. "Це великий і розумний кіт, стан якого розділено між двома порожнинами і не може бути описано окремо", - пояснює Чен.


Великий физик Эрвин Шредингер задал миру загадку, которая может вести к серьезному научному прорыву
Великий фізик Ервін Шредінгер поставив світу загадку, яка може призвести до серйозного наукового прориву


Інакше кажучи, завдяки експерименту стало зрозуміло, що "кіт" може не тільки бути одночасно і живим, і мертвим, але і взагалі перебувати в двох різних місцях. Природно, до того часу, поки один з резонаторів не буде "відчинено".

Але найголовніше - про існування живого/неживого подвійного "кота" можна дізнатися, тільки якщо "відчинити" обидва резонатори - в іншому разі спостерігач побачить набір не пов'язаних один з одним фотонів.

Що це означає?

Єльський експеримент скоро може бути застосований в галузі квантових комп'ютерів.

Раніше передбачалося, що квантові комп'ютери можуть виконувати обчислення відчутно швидше, ніж звичайні, саме завдяки можливостям, які надає суперпозиція.



У звичайному комп'ютері інформація зберігається в бітах, кожен з яких може мати лише одне значення (0 або 1). Квантові комп'ютери зберігають інформацію в кубітах, які можуть перебувати в "суперпозиції", тобто мати понад одне значення у певний момент часу. Це дає можливість багаторазово збільшувати продуктивність системи.

Але після єльського експерименту в галузі квантових комп'ютерів намічається новий прорив. Адже виходить, що обчислювальні клітинки можна множити і ділити між собою, зберігаючи між ними зв'язок, а отже, знову-таки нарощувати загальну продуктивність системи.

Крім того, експеримент цінний і своїми масштабами. 80 фотонів - це вже дуже великий "кіт". Недалекий той час, коли вчені зможуть створити "кота", якого можна буде побачити неозброєним оком. Це дозволить нарешті зрозуміти, чому люди не відчувають квантових ефектів у реальному житті.

Про важливість досліджень вчених із Єльського університету свідчить і той факт, що їх фінансує підрозділ наукових досліджень при Міністерстві оборони США.

Коментарі

1000

Правила коментування
Показати більше коментарів

Останні новини

ТОП-3 блога

Фото

ВІДЕО

Читайте на НВ style

Наука ТОП-10

Погода
Погода в Киеве

влажность:

давление:

ветер: