Шляпа Шредингера в действии

Международная группа физиков предложила новое устройство, которое может выявить наличие волн или частиц, слегка возмущая их. Устройство называют «шляпа Шредингера». Оно еще не было сработано в лаборатории, но физики считают, что оно могло бы когда-нибудь использовано, как новый тип датчика для квантовых информационных систем.

В микромире квантовой механики, прямое наблюдение свойств частицы - например, положение электрона, - вызывает коллапс волновой функции частицы. В результате, частица, у которой вы намеревались что-то измерить, оказывается существенным образом измененной.

В начале 1990-х, физики Авшалом Элицур (Avshalom Elitzur) и Лев Вайдман (Lev Vaidman) из Тель-Авивского университета в Израиле заметили, что не всегда необходимо для наблюдения частиц непосредственно, знать что-либо об их природе. Исследователи приводят аналогию. Представьте себе кучу бомб, каждая из которых срабатывает при поглощении одного фотона. Имеются неразорвавшиеся бомбы, фотоны через них проходят беспрепятственно. Можно проверить является ли бомба работающей, обстреливая ее фотоном, но, если бомба действительно исправная, то она будет уничтожена при этом. Имеется ли способ отсеять рабочие бомбы, не разрушая их?

Да, говорят Элицур и Вайдман. Они рассмотрели интерферометр: устройство, в которое путь фотона делится на две ветки (плечи), а после они снова соединяются на детекторах, на некотором расстоянии. Чтобы проверить бомбу, ее помещают в одно из плеч интерферометра. Безнадежная бомба не будет иметь никакого влияния на фотон, и фотон пройдет через оба плеча, создавая интерференционную картину на детекторах. Исправная бомба, заставит фотон «выбирать», через какое плечо он проходит. Если он выбрал плечо с бомбой, то бомба, к сожалению, срабатывает. Если фотон выбрал пустое плечо, то он достигнет детектора беспрепятственно, но так как другое плечо было заблокировано, то не будет никакой интерференционной картины. Это отсутствие интерференционной картины будет свидетельствовать о наличии исправной бомбы без ее срабатывания.

В 1994 году Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) из Университета в Инсбруке (Австрия) и его коллеги продемонстрировали в реальном эксперименте, что такие «бесконтактные» измерения действительно возможны. Теперь же, математик Гюнтер Ульман (Gunter Uhlmann) из Университета Вашингтона в Сиэтле и его коллеги, возможно, придумали более простой способ для выполнения таких измерений - с небольшой помощью от науки о плащах невидимости.

Впервые продемонстрированные в 2006 году, плащи невидимости можно понять по аналогии с общей теорией относительности Эйнштейна. Эта теория показывает, как очень массивные объекты искажают основу ткани вселенной, пространство-время. Таким же образом, некоторые искусственные структуры, известные как метаматериалы искажают эквивалент вселенской ткани ? виртуальное «оптическое пространство». Метаматериалы искажают оптическое пространство посредством пространственно изменяющегося показателя преломления, свойства, которое управляет тем, как свет искривляется, распространяясь в неоднородной среде. Растяжением дыры в оптическом пространстве, плащи невидимости могут прикрыть малый объект от света; лучи света плавно огибают объект, как если бы его и не было.

На практике, однако, не весь свет огибает плащи невидимости - часто небольшое количество проникает внутрь. Если внутри плаща имеется почти такая же резонансная частота, как и в падающем свете, говорит Ульман и его коллеги, то волновая энергия собирается, образуя локализованные возбуждения. Это возбуждение ведет себя как частица, которую группа назвала «квазмон». Этот квазмон может быть освобожден небольшим изменением резонансной частоты плаща, возможно, за счет применения слабого магнитного поля.

Матти Лассас (Matti Lassas), член группы Ульмана, работающий в Хельсинкском университете, объясняет, что они вызывают изменение плаща-невидимки в шляпу Шредингера, и тем самым крошечные «части» волн или волновых функций могут быть тайно сохранены, как в шляпе фокусника, а потом обнаружены. И весь фокус в том, что остальная часть волны будет почти не измененной. Вне шляпы Шредингера, говорит Лассас, волновая функция будет как «старая волновая функция умноженная на константу, возможно очень маленькую».

Возможности шляпы Шредингера можно увидеть на примере электрона в коробке. Несмотря на то, волновая функция электрона простирается по всей коробке, можно угадать местоположение областей, где она падает до нуля. Тогда можно было бы поместить шляпу Шредингера в одну из таких областей, не опасаясь, что электрон «заметит» присутствие датчика и случится коллапс волновой функции в определенное состояние. Если эксперимент повторить несколько раз, то можно было бы наметить, где электрон определенно не появляется и, таким образом, узнать, где он на самом деле может быть.

Игорь Смолянинов из университета Мэриленд, Парк-Колледж, США, описывает такое измерение, как «интересное предложение». Смолянинов, который не принимал участия в исследовании, говорит, что «Измерение квантовой волновой функции без особого возмущения найдет важное применение во многих областях фундаментальной науки и, в частности, в квантовых вычислениях». Он добавляет, однако, что шляпу Шредингера будет трудно сделать, так как она должна обладать свойствами, которые сильно отличаются в очень малой области.

Ульф Леонард (Ulf Leonhardt), член группы Ульмана, работающий в университете Сент-Эндрюс в Великобритании, говорит, что устройство, которое работает на микроволнах можно сделать с помощью материалов печатных плат. Устройство для плазмонов - волны электронов в металлах - может быть сделано из металлических и пластиковых колец. Он считает, что шляпа Шредингера может быть даже разработана для звука ? это позволит прослушивать звук, не возмущая его.

Эта работа будет описана в статье в Трудах Национальной академии наук (Proceedings of the National Academy of Sciences) .

Об авторе

Джон Картрайт (Jon Cartwright) — независимый журналист, проживающий в Бристоле, Великобритания.