Как сделать кошку из фотонов
How to make a cat from photons

Знаменитый парадокс кошки Шредингера, в котором, отталкиваясь от принципов квантовой физики, приходят к странному выводу, что кошка может быть одновременно в двух физических состояниях - в одном кошка жива, а в другом, она умерла. В реальной жизни, однако, крупные объекты, такие как кошки, очевидно, не существуют в суперпозиции двух или более состояний, и этот парадокс, как правило, решают в терминах квантовой декогеренции . Но теперь физики в Канаде и Швейцарии утверждают, что и без декогеренции, трудности проведения идеального измерения помешали бы нам подтвердить суперпозицию кошки.

Эрвин Шредингер, один из отцов квантовой теории, сформулировал свой парадокс в 1935 году, чтобы подчеркнуть очевидную абсурдность квантового принципа суперпозиции - что ненаблюдаемый квантовый объект находится одновременно в нескольких состояниях. Он предложил рассмотреть черный ящик, содержащий радиоактивное вещество, счетчик Гейгера, флакон ядовитого газа и кошку. Счетчик Гейгера, срабатывая выпускает ядовитый газ, убивая кошку, если он обнаруживает любое излучение от ядерного распада. Ужасная игра происходит в соответствии с правилами квантовой механики, потому как ядерный распад является квантовым процессом.

Если Вы оставили черный ящик на некоторое время без внимания, а затем провели наблюдение (вскрыли его), то Вы можете обнаружить, что, либо ядро распалось, либо оно не распалось, а потому яд, либо был выпущен, либо не был выпущен, и, что кошка, либо жива, либо не жива. Однако квантовая механика говорит нам, что, прежде чем наблюдение было сделано, система находится в суперпозиции двух состояний - ядра распались и не распадались, яд был выпущен и не был выпущен, и кошка живая и мертвая.

Смешивание микросостояния и макросостояния
Парадокс «Кошка Шредингера» является примером «микро-макро спутанности», в котором квантовая механика позволяет (в принципе) микроскопическому объекту, например, атомные ядра и макроскопическому объекту, такой как кошка, иметь гораздо более тесные отношения, чем разрешено по классической физике. Тем не менее, очевидно, для любого наблюдателя, что микроскопические объекты подчиняются квантовой физике, а макроскопические вещи подчиняются правилам классической физики, которые мы обнаруживаем в нашей повседневной жизни. Но если два состояния являются спутанными, то невозможно, чтобы каждое из них могло подчиняться различным физическим правилам.

Самый простой способ избежать этой проблемы - это обращение к квантовой декогеренции, в соответствии с которой множественные взаимодействия между объектом и его окружением разрушают когерентность суперпозиции и спутанность. Результатом является то, что объект появляется, как подчиняющийся классической физике, хотя он на самом деле следует правилам квантовой механики. Для большой системы, такой как кошка, невозможно оставаться полностью изолированной от окружающей среды, и поэтому мы не воспринимаем ее как квантовый объект.

Не оспаривая это объяснение, Кристоф Саймон (Christoph Simon) и его коллеги из Университетов в Калгари и в Женеве, задались вопросом - что произойдет, если декогеренция не влияет на кошку? В мысленном эксперименте, подкрепленном компьютерным моделированием, физики рассматривают пары фотонов (А и Б), порожденные одним и тем же источником с равными и противоположными поляризациями, движущихся в противоположных направлениях. Для каждой пары, фотон А попадает непосредственно на детектор, а фотон Б дублируется многократно усилителем, чтобы сделать макроскопический световой луч, что моделирует кошку. Поляризации фотонов в этом световой луче затем измеряют.

Два типа усилителя
Рассматривают два различных типа усилителя. Первый измеряет состояние фотона Б, прежде чем производить множество фотонов с любой поляризацией, что имеет эффект разрушения запутанности с фотоном А. Это скорее похоже на чисто классический процесс наблюдения счетчика Гейгера, чтобы увидеть, обнаружил ли он излучение, а затем, используя эту информацию решить, следует ли убить кошку. Второй усилитель копирует фотон Б без измерения его состояния, таким образом сохраняя спутанность его с фотоном А.

Исследователи спрашивают, как измеренные поляризации фотонов в световом луче будут отличаться в зависимости от того, какой усилитель используется? Они считают, что, если идеальное разрешение может быть достигнуто, то результаты будут выглядеть совсем разными. Тем не менее, имеющиеся в настоящее время экспериментальные методы, не могут показать различия. «Если у вас есть большая система, и вы хотите увидеть квантовые эффекты, такие как запутанность в ней, вы должны убедиться, что ваша точность ваших приборов очень высокая», поясняет Саймон. «Вы должны уметь отличать миллион фотонов от миллион плюс один фотонов, и в настоящее время нет технологии, которая позволит вам сделать это.»

Теоретик из области квантовой информации Ренато Реннер (Renato Renner) из ETH Zurich дает восторженный отзыв работе Саймона: «Даже если бы не было декогеренции, эта статья объяснила бы, почему мы не видим квантовые эффекты, и почему мир предстает классическим для нас, что бесспорно является очень фундаментальным вопросом». Но, предупреждает он, «статья поднимает фундаментальный вопрос и дает нам ответ на интересный частный случай, а что будет в общем случае еще предстоит выяснить».

Исследование будет опубликовано в Physical Review Letters .

Об авторе Тим Воган (Tim Wogan), Великобритания.

Перевод: Олег Кириллов