Заглянуть в неизвестность. Физики нашли решение главной загадки квантовой механики - фото

Заглянуть в неизвестность. Физики нашли решение главной загадки квантовой механики

17 ноября 2019, 07:00

Коротко:

— что такое «кот Шредингера» и квантовая суперпозиция

— как узнать состояние частицы, не измеряя ее

— зачем физикам изучать квантовую природу

В нашем мире невозможно находиться в двух состояниях одновременно. По крайней мере, если вы не проснулись на утро с похмелья и первое время не понимаете — живы или мертвы.

Видео дня

Но, если уменьшить свое тело до субатомных размеров — можно наблюдать почти фантастические вещи. Подобное недавно доказали физики из Японии и Индии, которые заявили, что научились определять состояние кота Шредингера, не убивая его, а точнее, — придумали способ определения состояний квантовой суперпозиции без ее прямого измерения.

НВ уже писало о том, что физика работает по-разному в макро- и микромасштабах. В более объяснимом и видимом для нас макромире, например, действует сила гравитационного притяжения и движение всех объектов является предсказуемым.

В «зазеркальном» мире квантовой механики все наоборот: элементарные частицы двигаются хаотично, и ученые только пытаются выяснить, по каким именно принципам эти частицы взаимодействуют.

Одно из наиболее загадочных явлений — квантовая суперпозиция — предполагает, что мельчайшие частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно до момента, пока мы их не измерили.

Это явление реализовали в мысленном эксперименте с котом Шредингера: условное животное в коробке с кислотой является и живым и мертвым одновременно до тех пор, пока мы не откроем эту коробку и не определим состояние кота.

Недавно ученые из Японии и Индии придумали, как заглянуть в коробку с котом, не убивая его.

В чем суть эксперимента?

CC

Фото: CC

В работе исследовали явление квантовой суперпозиции — нахождения элементарных частиц в нескольких состояниях одновременно. Определить состояние этих частиц мы можем только после их измерения. В первой половине прошлого века один из основателей квантовой механики Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент, который объясняет квантовую суперпозицию.

Суть эксперимента в следующем: в коробке с условным котом находится атом радиоактивного элемента и колба с кислотой, которая разобьется после того как радиоактивный элемент распадется. Если колба разобьется — кот умрет, но мы не знаем наверняка, распадется ли атом радиоактивного элемента, и никто, включая кота, не может на это повлиять. Следовательно, кот и жив, и мертв одновременно, что и называется квантовой суперпозицией.

Определить точное состояние кота мы сможем только после того, как откроем коробку и, таким образом, состояние кота Шредингера в квантовом мире определяет именно факт нашего наблюдения. Главная проблема квантовой суперпозиции в том, что частицы ведут себя непредсказуемо, и мы никак не можем на них повлиять ни до измерения, ни после.

В прошлом месяце профессор физики Хольгер Хофманн из Университета Хиросимы и его студент Картик Патекар из Индийского технологического института Бомбея опубликовали исследование, согласно которому мы все же можем «заглянуть в коробку с котом Шредингера, не убивая его».

Ученые провели собственный мысленный эксперимент с помощью которого якобы можно измерить квантовую систему, не нарушая при этом ее суперпозицию. Оказывается, истину нужно искать не в самом измерении квантовой системы, а в методах анализа данных, полученных при ее измерении.

С помощью математических вычислений физики смоделировали условную ситуацию: закрытую коробку с котом Шредингера нужно сфотографировать с помощью камеры, которая установлена снаружи коробки, и при этом может заснять сквозь коробку самого кота.

Holger F. Hofmann, Emma Buchet/Hiroshima University
Фото: Holger F. Hofmann, Emma Buchet/Hiroshima University

После создания такого фото в камере будет храниться два типа информации: первый о том, как изменилось состояние суперпозиции кота (ученые называют это квантовой меткой) и второй о том, является ли кот живым или мертвым.

Идея заключается в том, что такое фото оказывается в запутанном состоянии вместе с квантовой системой, и то, как мы извлечем информацию из него — напрямую повлияет на судьбу кота. В данном случае мы можем просто «проявить» фото в темной комнате и определить, жив он или мертв, или же мы можем восстановить на размытом фото квантовую метку с помощью компьютера и вернуть кота в состояние неопределенности между жизнью и смертью.

Хофманн и Патекар взяли за основу своей математической модели способность фотонов входить в запутанное состояние вместе с квантовой системой. То есть, вместо того, чтобы определить состояние частицы (кота) посредством ее измерения, т. е. прямого влияния света (фотонов) на нее, мы используем условную камеру, которая фотографирует кота сквозь коробку.

Запечатленные фотоны на изображении оказываются запутанными с квантовой системой, что сохраняет оба типа информации — о том, как изменилась суперпозиция и о реальном состоянии кота. Считывая данные из этого изображения тем или иным образом мы можем оживить/убить кота или восстановить его суперпозицию.

Расчеты физиков показали, что «чем больше наблюдатель знает о состоянии кота — тем больше вероятность, что он уже безвозвратно изменил его».

«Обычно мы ищем что-то, смотря на это. Но, в этом случае, наш взгляд изменяет объект, это проблема квантовой механики. Мы можем использовать сложные математические выражения, чтобы описать это, но как мы можем быть уверены, что математика описывает то, что действительно существует?» — говорит Хольгер Хофманн.

Кто еще игрался с котом Шредингера?

Quanta Magazine

Фото: Quanta Magazine

Как ни странно, физики из Японии и Индии — не первые, кто хотят научиться управлять судьбой кота Шредингера. Несколько месяцев назад ученые компании IBM и Йельского университета провели практический эксперимент и заявили, что при определенных условиях они могут заблаговременно определять состояние суперпозиции и фактически управлять судьбой кота Шредингера.

Для эксперимента разработали «искусственный атом», состоящий из сверхпроводящей цепи, в центре которой установлен джозефсоновский контакт — изолятор, разделяющий два сверхпроводника. Если состояние обычного атома определяется позицией электрона вокруг его ядра, то состояние искусственного атома представлено через квантовую позицию, которая изменяется, когда электроны проходят через слой изолятора.

Управлять состоянием искусственного атома физики смогли с помощью двух микроволновых сигналов: первый выделял необходимое количество энергии для того, чтобы атом перешел от спокойного состояния в возбужденное, а второй измерял энергию в цепи во время этого перехода.

Поскольку квантовый скачок — переход из одного квантового состояния в другое — сопровождается излучением или поглощением фотонов, ученые определили, что видимый фотонный сигнал является индикатором спокойного состояния искусственного атома, а отсутствие такого сигнала, наоборот, означает, что атом изменил свое квантовое состояние на возбужденное.

Проводя микроволновые импульсы через искусственный атом, исследователи смогли измерить его квантовое состояние до и после квантового скачка. Если бы кот Шредингера был похожим атомом из сверхпроводящей цепи — мы смогли бы определить его судьбу, измерив первичное квантовое состояние, а не просто узнать, жив он или мертв фактом своего наблюдения.

Правда, в исследовании IBM есть и много неизвестных. В частности, ученые не могут точно определить, когда конкретно произойдет квантовый скачок, — через несколько мгновений после активирования микроволнового излучения, или через несколько часов.

Зачем нужна квантовая суперпозиция?

Google

Фото: Google

Эксперименты с условным котом Шредингера несут огромную ценность для развития квантовых компьютеров. Дело в том, что минимальная единица информации в квантовых компьютерах — кубит — также находится в квантовой суперпозиции, и представляет два значения одновременно, в отличие от обычного бита, который может быть либо нулем либо единицей.

В действительности, искусственный атом, который создали ученые из IBM и Йельского университета, является двухкубитным квантовым компьютером. Изучение того, как именно изменяются квантовые состояния даже в такой системе, может помочь физикам управлять квантовой информацией и исправлять случайные ошибки, которые часто возникают в квантовых компьютерах.

Главной задачей разработчиков квантовых компьютеров является создание стабильной системы, которая могла бы поддерживать квантовое состояние кубитов для выполнения сложных вычислений.

Как уже писало НВ, недавно в Google заявили, что они якобы достигли «квантового превосходства», — создали первый в мире квантовый компьютер, способный выполнять операции, которые не под силу любым классическим компьютерам. В калифорнийской корпорации рассказали, что их 54-кубитный квантовый компьютер Sycamore всего за 200 секунд произвел вычисления, «на которые классическому суперкомпьютеру потребуется около 10 тыс. лет».

С этой информацией не согласились главные конкуренты Google по квантовым компьютерам — компания IBM: сотрудники отдела квантовых вычислений IBM раскритиковали новое изобретение Google и написали, что заявления о достижении квантового превосходства не соответствуют действительности.

Во-первых, представители IBM уверены, что их суперкомпьютер Summit сможет выполнить вычисления, которые выполнил Sycamore, всего за два с половиной дня. А, во-вторых, ученые из IBM объяснили, что вычисления квантового компьютера Google были чисто техническими и не несли никакой практической ценности.

«Квантовые компьютеры не могут „превосходить“ классические только на базе одного лабораторного эксперимента, который был нужен, чтобы реализовать одну очень специфическую процедуру квантовой выборки вне практического применения. На самом деле, квантовые компьютеры никогда не будут „господствовать“ над классическими компьютерами, а призваны работать в тандеме с ними, поскольку у каждого типа компьютеров есть свои уникальные преимущества», — прокомментировал для НВ директор IBM Research Дарио Гил.

Более детально о том, зачем нужны квантовые компьютеры и к чему они могут привести читайте в этом материале.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Делитесь материалом




Радіо НВ
X