Зазирнути в невідомість. Фізики знайшли вирішення головної загадки квантової механіки - фото

Зазирнути в невідомість. Фізики знайшли вирішення головної загадки квантової механіки

17 листопада 2019, 07:00

Коротко:

що таке «кіт Шредінгера» і квантова суперпозиція

як дізнатися стан частинки, не вимірюючи її

навіщо фізикам вивчати квантову природу

У нашому світі неможливо перебувати в двох станах одночасно. Принаймні, якщо ви не прокинулися на ранок з похмілля і перший час не розумієте — живі або мертві.

Відео дня

Але, якщо зменшити своє тіло до субатомних розмірів — можна спостерігати майже фантастичні речі. Подібне недавно довели фізики з Японії та Індії, які заявили, що навчилися визначати стан кота Шредінгера, не вбиваючи його, а точніше, — придумали спосіб визначення станів квантової суперпозиції без її прямого вимірювання.

НВ вже писало про те, що фізика працює по-різному в макро- і мікромасштабах. У зрозумілішому й видимішому для нас макросвіті, наприклад, діє сила гравітаційного тяжіння і рух всіх об'єктів є передбачуваним.

У «задзеркальному» світі квантової механіки все навпаки: елементарні частинки рухаються хаотично, і вчені тільки намагаються з’ясувати, за якими саме принципам ці частинки взаємодіють.

Одне з найзагадковіших явищ — квантова суперпозиція — припускає, що дрібні частки можуть перебувати в кількох станах одночасно до моменту, поки ми їх не виміряли.

Це явище реалізували в уявному експерименті з котом Шредінгера: умовна тварина в коробці з кислотою є і живим і мертвою одночасно доти, доки ми не відкриємо цю коробку і не визначимо стан кота.

Нещодавно вчені з Японії та Індії придумали, як зазирнути в коробку з котом, не вбиваючи його.

У чому суть експерименту?

CC

Фото: CC

У роботі досліджували явище квантової суперпозиції — знаходження елементарних частинок у кількох станах одночасно. Визначити стан цих частинок ми можемо тільки після їх вимірювання. У першій половині минулого століття один із засновників квантової механіки Ервін Шредінгер запропонував уявний експеримент, який пояснює квантову суперпозицію.

Суть експерименту ось учому: в коробці з умовним котом міститься атом радіоактивного елемента і колба з кислотою, яка розіб'ється після того як радіоактивний елемент розпадеться. Якщо колба розіб'ється — кіт помре, але ми не знаємо напевно, чи розпадеться атом радіоактивного елемента, і ніхто, включно з котом, не може на це вплинути. Отже, кіт і живий, і мертвий одночасно, що й називається квантовою суперпозицією.

Визначити точний стан кота ми зможемо тільки після того, як відкриємо коробку і, таким чином, стан кота Шредінгера в квантовому світі визначає саме факт нашого спостереження. Головна проблема квантової суперпозиції в тому, що частинки поводяться непередбачувано, і ми ніяк не можемо на них вплинути ні до вимірювання, ні після.

Минулого місяця професор фізики Хольгер Хофманн з Університету Хіросіми та його студент Картік Патекар з Індійського технологічного інституту Бомбея опублікували дослідження, згідно з яким ми все-таки можемо «зазирнути в коробку з котом Шредінгера, не вбиваючи його».

Вчені провели власний уявний експеримент за допомогою якого нібито можна виміряти квантову систему, не порушуючи при цьому її суперпозицію. Виявляється, істину потрібно шукати не в самому вимірі квантової системи, а в методах аналізу даних, отриманих під час її виміру.

За допомогою математичних обчислень фізики змоделювали умовну ситуацію: закриту коробку з котом Шредінгера потрібно сфотографувати за допомогою камери, яка встановлена зовні коробки, і до того ж може зняти крізь коробку самого кота.

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

Після створення такого фото в камері зберігатиметься два типи інформації: перший про те, як змінився стан суперпозиції кота (вчені називають це квантовою міткою) і другий про те, є кіт живим чи мертвим.

Ідея полягає в тому, що таке фото опиняється в заплутаному стані разом із квантовою системою, і те, як ми отримаємо інформацію з нього — безпосередньо вплине на долю кота. У такому випадку ми можемо просто «проявити» фото в темній кімнаті і визначити, живий він чи мертвий, або ж ми можемо відновити на розмитому фото квантову мітку за допомогою комп’ютера і повернути кота в стан невизначеності між життям і смертю.

Хофманн і Патекар взяли за основу своєї математичної моделі здатність фотонів входити в заплутаний стан разом з квантовою системою. Тобто, замість того, щоб визначити стан частинки (кота) за допомогою її вимірювання, тобто прямого впливу світла (фотонів) на неї, ми використовуємо умовну камеру, яка фотографує кота крізь коробку.

Зафіксовані фотони на зображенні опиняються заплутаними з квантовою системою, що зберігає обидва типи інформації — про те, як змінилася суперпозиція і про реальний стан кота. Зчитуючи дані з цього зображення в той чи інший спосіб ми можемо оживити/вбити кота або відновити його суперпозицію.

Розрахунки фізиків продемонстрували, що «чим більше спостерігач знає про стан кота — то більша ймовірність, що він уже безповоротно змінив його».

«Зазвичай ми шукаємо щось, дивлячись на це. Але, в цьому разі, наш погляд змінює об'єкт, це проблема квантової механіки. Ми можемо використовувати складні математичні вирази, щоб описати це, але як ми можемо бути впевнені, що математика описує те, що дійсно існує?» — каже Хольгер Хофманн.

Хто ще грався з котом Шредінгера?

Quanta Magazine

Фото: Quanta Magazine

Як не дивно, фізики з Японії та Індії — не перші, хто хочуть навчитися керувати долею кота Шредінгера. Кілька місяців тому вчені компанії IBM і Єльського університету провели практичний експеримент і заявили, що за певних умов вони можуть завчасно визначати стан суперпозиції і фактично керувати долею кота Шредінгера.

Для експерименту розробили «штучний атом», що складається з надпровідної ланцюга, в центрі якого встановлено джозефсонівський контакт — ізолятор, що розділяє два надпровідники. Якщо стан звичайного атома визначається позицією електрона навколо його ядра, то стан штучного атома представлено через квантову позицію, яка змінюється, коли електрони проходять через шар ізолятора.

Керувати станом штучного атома фізики змогли за допомогою двох мікрохвильових сигналів: перший виділяв необхідну кількість енергії, щоб атом перейшов від спокійного стану в збуджений, а другий вимірював енергію в ланцюзі під час цього переходу.

Оскільки квантовий стрибок — перехід з одного квантового стану в інший — супроводжується випромінюванням або поглинанням фотонів, вчені визначили, що видимий фотонний сигнал є індикатором спокійного стану штучного атома, а відсутність такого сигналу, навпаки, означає, що атом змінив свій квантовий стан на збуджений.

Проводячи мікрохвильові імпульси через штучний атом, дослідники змогли виміряти його квантовий стан до і після квантового стрибка. Якби кіт Шредінгера був схожим атомом з надпровідного ланцюга — ми змогли б визначити його долю, вимірявши первинний квантовий стан, а не просто дізнатися, живий він чи мертвий фактом свого спостереження.

Щоправда, в дослідженні IBM є й багато невідомих. Зокрема, вчені не можуть точно визначити, коли саме відбудеться квантовий стрибок, — через кілька миттєвостей після активування мікрохвильового випромінювання, або через кілька годин.

Навіщо потрібна квантова суперпозиція?

Google

Фото: Google

Експерименти з умовним котом Шредінгера становлять величезну цінність для розвитку квантових комп’ютерів. Річ у тому, що мінімальна одиниця інформації у квантових комп’ютерах — кубіт — також перебуває у квантовій суперпозиції, і представляє два значення одночасно, на відміну від звичайного біта, який може бути або нулем або одиницею.

Насправді, штучний атом, який створили вчені з IBM і Єльського університету, є двохкубітним квантовим комп’ютером. Вивчення того, як саме змінюються квантові стани навіть у такій системі, може допомогти фізикам керувати квантовою інформацією і виправляти випадкові помилки, які часто виникають у квантових комп’ютерах.

Головним завданням розробників квантових комп’ютерів є створення стабільної системи, яка могла б підтримувати квантовий стан кубітів для виконання складних обчислень.

Як уже писало НВ, нещодавно в Google заявили, що вони нібито досягли «квантової переваги», — створили перший у світі квантовий комп’ютер, здатний виконувати операції, які не до снаги будь-яким класичним комп’ютерам. У каліфорнійській корпорації розповіли, що їхній 54-кубітний квантовий комп’ютер Sycamore всього за 200 секунд зробив обчислення, «на які класичному суперкомп’ютеру потрібно приблизно 10 тис. років».

З цією інформацією не погодилися головні конкуренти Google із квантових комп’ютерів — компанія IBM: співробітники відділу квантових обчислень IBM розкритикували новий винахід Google і написали, що заяви про досягнення квантової переваги не відповідають дійсності.

По-перше, представники IBM впевнені, що їхній суперкомп’ютер Summit зможе виконати обчислення, які виконав Sycamore, всього за два з половиною дні. А, по-друге, вчені з IBM пояснили, що обчислення квантового комп’ютера Google були суто технічними і не мали жодної практичної цінності.

«Квантові комп’ютери не можуть „перевершувати“ класичні тільки на базі одного лабораторного експерименту, який був потрібен, щоб реалізувати одну дуже специфічну процедуру квантової вибірки поза практичним застосуванням. Насправді, квантові комп’ютери ніколи не будуть „панувати“ над класичними комп’ютерами, а покликані працювати в тандемі з ними, оскільки у кожного типу комп’ютерів є свої унікальні переваги», — прокоментував для НВ директор IBM Research Даріо Гіл.

Докладніше про те, навіщо потрібні квантові комп’ютери і до чого вони можуть призвести, читайте в цьому матеріалі.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Діліться матеріалом




Радіо НВ
X