Квантовый чеширский кот: частица есть, но ее свойств нет

Квантовый чеширский кот: частица есть, но ее свойств нет

Квантовый чеширский кот: частица тут, а ее свойства нет

Чеширский кот – персонаж из «Алисы в стране чудес», который может исчезнуть, оставив после себя улыбку. Алиса говорит ему, что она часто видела кошек без улыбки, но улыбку без кошек – никогда. Физики вспомнили этот пример, когда они обнаружили, что некоторые частицы могут существовать без своих свойств, а некоторые свойства могут существовать без частиц. Это, конечно, звучит довольно абсурдно. Вы можете слышать голос без человека или без хлопка в ладоши? Но квантовую физику такие противоречия не удивят – частицы могут одновременно находиться в разных местах или вращаться влево и вправо одновременно. Кот Шредингера жив и мертв. В этом отношении Чеширу повезло больше – они просто улыбнулись.

Якир Ааронов philippelopes. free. fr

В квантовой физике каждое измерение изменяет наблюдаемый объект. Например, если мы хотим узнать импульс частицы, тот факт, что мы его измеряем, повлияет на показания. Причина искажения трактуется по-разному: это может быть человек-наблюдатель или само устройство. В 1988 году израильский физик Якир Ааронов (Yakir Aharonov) выдвинул идею нового типа квантово-механических измерений – слабого измерения, позволяющего проводить расчеты, не вызывая возмущения волновой функции, т. е. после проверки частицы. вектор состояния не меняется. Грубо говоря, задаем параметры измерителя, при которых он давит на «квантовый пластилин» не с нужной нам обычной силой, а как можно слабее. Устройство активирует систему, как если бы оно просто касалось ее. Несмотря на то, что некоторые ученые скептически относятся к плохим измерениям, они используются в исследованиях.

Крестным отцом Чеширского Кота можно считать Якира Ааронова. Вместе с группой американских и израильских ученых в 2013 году он предложил использовать слабое измерение, чтобы «поймать» кошку. Год спустя, в 2014 году, международная группа исследователей провела эксперимент на нейтронном интерферометре в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция. Устройство было разработано Венским техническим университетом. В журнале опубликована статья с результатами исследования. Nature Communications.

Так выглядит интерферометр. Фото: Лоран Тион, ILL, нейтронинтерферометрия.

Интерферометр был своего рода дорожным знаком, в котором использовались кристаллы кремния для разделения пучка нейтронов и отправки их на развилку двух разных путей. Нейтроны находились в наложенном состоянии, двигаясь туда и сюда. Вдоль каждого пути интерферометра создавалось слабое магнитное поле, которое взаимодействовало со спином. Затем два маршрута снова сошлись. В этот момент нейтроны прошли так называемый пост-выбор, то есть выбор квантового состояния. У некоторых из них были значения вращения, подходящие для ученых, и это то, над чем работала исследовательская группа. Плохие измерения позволили проверить положение частицы и ее магнитный момент. Теперь – кошачья улыбка – измерение показало, что нейтроны с правильным спином движутся в одну сторону внутри интерферометра, а их спины – в другую. Что ж, это как будто твоя машина едет в одну сторону, а ее скорость – в другую. Нейтрон играл роль Чеширского кота, а спины играли роль его улыбки.

Схема экспериментальной установки. Нейтронный пучок отмечен зеленой линией. Спины нейтронов
исследователи. Плохие измерения позволили проверить положение частицы и ее магнитный момент. Теперь – кошачья улыбка – измерение показало, что нейтроны с правильным спином движутся в одну сторону внутри интерферометра, а их спины – в другую. Ну, это как будто твоя машина едет в одну сторону, а ее скорость – в другую. Нейтрон играл роль Чеширского кота, и повороты были его улыбками.
с черными стрелками. Магнитные поля – красные стрелки. (А) – спиновой анализатор. В эксперименте с нейтринным интерферометром пучок нейтронов с направлением вращения вверх и вниз проходит через идеальный кристалл кремния (P) и разделяется на две части. Затем остается поляризованный пучок, в котором все нейтроны имеют одинаковое направление вращения (на рисунке вверху). Устройство переключения передач ST1 раскручивает вращение по траектории. Затем в блоке СИ создаются два пучка со спинами, ориентированными в разные стороны: первый пучок нейтронов имеет спин вдоль пути нейтрона, а спин второго пучка направлен в противоположном направлении (стационарные состояния). После прохождения разных путей оба луча объединяются (PS), и наблюдается интерференция лучей, отслеживаемых детекторами H и O (Det).
В детекторе O (O-Det) обнаруживаются только нейтроны, которые имеют спин в направлении движения (пост-установившееся состояние). Все остальные просто игнорируются. Совершенно очевидно, что эти нейтроны должны были пройти первым путем, потому что только там нейтроны имеют такое спиновое состояние. Это было доказано в эксперименте путем попеременного размещения на каждом пути следа фильтра (ABS), который поглощает небольшую часть нейтронов. Если второй пучок проходит через фильтр, количество зарегистрированных нейтронов остается прежним. Если первый пучок проходит через фильтр, количество этих нейтронов уменьшается (на рисунке показан фильтр на первом пути). nature. com

В принципе, вы можете взять другие частицы: фотоны или электроны и работать с другими их свойствами – зарядом или магнитным моментом, силой связи с внешним магнитным полем. Извлечение магнитного момента потенциально очень важно, поскольку оно часто является главным виновником искажения, без него ученые могут получить более точные результаты. В заключение, квантовый Чеширский кот сам по себе не очень полезен для науки. Но это может быть маленький шаг к другой работе, если вы будете улыбаться здесь и там.

Читайте также:  Дрессировка собак: методы, команды, видео и советы кинологов

Публикации: Прочее (рубрикатор)

Эксперименты по наблюдению «квантового Чеширского Кота»

Автор (ы): Игорь Иванов

15 августа 2014 г.

на вашем сайте ->
Твитнуть

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, сообщается об экспериментальной реализации интересного квантового состояния, описанного теоретиками год назад и получившего название квантового Чеширского кота. В «Чеширском коте» играл нейтрон, а улыбку – вращение нейтрона. Измерения показывают парадоксальную картину: нейтрон внутри устройства двигался по одной траектории, а спин нейтрона – без нейтрона! – и еще один. Но вопиющий парадокс этой ситуации исчезает, если внимательно прочитать, что именно происходит в этом эксперименте.

Парадоксальность квантовой механики

Научно-популярные рассказы о квантовых эффектах часто грешат чрезмерной сенсационностью, подчеркнутой парадоксальностью. Часто такой искусственно выдвинутый парадокс подтверждается заявлением Ричарда Фейнмана о том, что никто на самом деле не понимает квантовую механику. Такая цитата особенно усиливает впечатление, что сами физики не понимают, что они получают в своих квантовых экспериментах. Конечно нет. Законы квантового мира очень необычны с точки зрения обыденной интуиции, от них никуда не деться. Однако это не означает, что в квантовом мире происходят какие-то странные вещи, какими бы дикими и противоречивыми они ни казались. Квантовые законы математически самосогласованы, и при использовании они создают различные «квантовые парадоксы» – парадоксы с повседневной точки зрения! – совершенно неразрешимы.

Недавно в журнале Nature Communications была опубликована статья с впечатляющим названием: «Наблюдение за квантовым чеширским котом в интерферометрическом эксперименте с волнами материи». В этой статье рассказывается о реализации эксперимента, предложенного год назад, демонстрирующего необычные свойства квантовых частиц (термин «квантовый Чеширский кот» взят из той статьи 2013 года).

Эта запоминающаяся фраза сделала новую статью известной во многих СМИ. В некоторых из них была сделана честная попытка раскрыть суть явления. Короче говоря, в эксперименте с нейтронами физикам удалось оторвать какое-то свойство нейтрона от его материальной сущности. Все выглядело так, как будто нейтрон одним способом движется в установке, а его характеристики – другим, по пути, где самой частицы не было. Это, конечно, звучит парадоксально и сразу возникает вопрос: «Как такое возможно?» Однако на этот естественный вопрос подавляющее большинство работ негласно давало необъяснимый ответ: «Да, такие чудеса в квантовом мире случаются».

Цель этой заметки – не столько рассказать о деталях экспериментальной работы, сколько отделить истинную суть явления от искусственно созданных парадоксов. Вам не нужно быть экспертом или «зарабатывать» квантовую механику в своих исследованиях, чтобы понять ее; все, что вам нужно, это поверхностное знание научно-популярных материалов и немного логики.

Два базовых квантовых факта

Начнем с двух основных фактов. Во-первых, квантовая частица может находиться в разных местах одновременно. Обычно это объясняется на примере интерференции электрона, который, проходя через две щели, одновременно формирует на экране интерференционную картину (см., Например, соответствующую главу «Лекций Фейнмана по физике»). Проиллюстрируем это на примере использованного в работе устройства – интерферометра Маха-Цендера (рис. 2).

Частица (фотон, электрон, нейтрон и т. Д.) Входит в устройство, разделяется полупрозрачным зеркалом на входе в две «ипостаси», которые затем проходят двумя разными путями и, наконец, повторно соединяются в приемном устройстве. Подчеркнем: не только электронный или световой пучок делится пополам, но и каждый электрон или фотон проходит два пути одновременно. Вы можете физически стоять в центре, и тогда каждый электрон будет облетать вас с обеих сторон одновременно. Это очень необычно, но так устроен микромир.

Электрон, идущий одновременно двумя разными путями, является одним из примеров суперпозиции состояний. Согласно законам квантовой механики, если электрон может находиться в состоянии A или B, он также может существовать в состоянии A + B, то есть в обоих состояниях одновременно. Эти состояния A и B могут быть двумя путями в интерферометре, двумя полярностями фотонов или их коррелированными комбинациями (в этом случае эти величины называются квантово запутанными) или чем-то еще. Известный и крайний случай суперпозиции – так называемый Кот Шредингера (не путать с Чеширским котом!), Который, кстати, тоже уже наблюдался экспериментально – пусть и не материальный, а мультифотографический.

Во-вторых, процесс измерения любой характеристики частицы описывается в квантовой механике совершенно иначе, чем простое квантовое движение частицы. Сам акт измерения резко «портит» квантовое состояние. Измерение не только вызывает переключение устройства обнаружения, но и само квантовое состояние резко меняется, схлопывается (простейшее описание содержится в заметке Квантовой сутры, а чуть более серьезное – в Лекциях Фейнмана по физике или в книге Как понять Квантовая механика).

Как мы можем это увидеть на примере интерферометра? Введите частицы в стартовый интерферометр, и датчик в конце подсчитает их количество. Пусть исходным состоянием частиц является суперпозиция верхнего и нижнего путей. Теперь проведем измерение – проверим, следует ли частица по нижнему пути. Приложите непрозрачную сторону к верхней дорожке и посмотрите на показания датчика: частота счета упала (рис. 3). Каждый отклик датчика указывает на то, что данная частица улавливается нижней полосой, но не все частицы улавливаются таким образом. Аналогичный эксперимент можно провести, чтобы увидеть, следует ли частица по верхнему пути; это даст аналогичный результат.

Читайте также:  Почему кошка кашляет так, как будто задыхается: причины, физиологические факторы, помощь и лечение

Однако сам акт измерения, простое присутствие стены изменило состояние частицы. После измерения частица вышла из состояния суперпозиции и теперь гарантированно движется по нижнему пути. На верхнем пути на рис. 3 частицы больше нет. А если сейчас по первой стене поставить вторую, но на более низкую дорожку, датчик будет молчать. Это понятно, потому что мы заблокировали оба пути для электрона, но это также иллюстрируется тем фактом, что после первого измерения состояние частицы быстро изменилось.

Постселекция квантового состояния

Итак, если мы введем частицу в интерферометр, то в зависимости от ее квантового состояния она может следовать либо по одному, либо по другому пути, либо по обоим одновременно с определенной амплитудой вероятности. Теперь добавим к интерферометру новую деталь – так называемый пост-отбор, или «более поздний отбор» квантового состояния. Для этого на выходе размещаем сложную систему, анализирующую квантовое состояние падающей частицы. Если это состояние в точности совпадает с определенным состоянием сигнала Φ, которое может отличаться от исходного состояния Ψ – частица летит к детектору сигнала (рис. 4). Если это состояние совсем не похоже на него (в математике ортогонально сигнальному состоянию), то частица уходит в сторону и не попадает в детектор.

В эксперименте после отбора мы стреляем в частицу и измеряем ее, но мы учитываем результат только при срабатывании детектора сигнала. Проще говоря, мы не просто измеряем свойства частицы, но намеренно тестируем ее в необъективных условиях, на необъективной выборке. Все вероятности, полученные в таком эксперименте, не абсолютны, а условны; это вероятности в поствыборных условиях. И это сразу заставляет тщательно формулировать выводы из подобного эксперимента.

Квантовый Чеширский Кот: попытка 1

Давайте теперь опишем эксперимент, предложенный в статье 2013 года, эксперимент, который мы могли бы назвать открытием Чеширского квантового кота, если бы не последующее раскрытие. Тем, кто хотел бы повторить расчеты, скажем, что они простые и подробные в статье; они могут быть выполнены любым, кто знаком с математическим формализмом квантовой механики.

На вход интерферометра подается фотон, идущий с обоих путей и имеющий горизонтальную линейную поляризацию. Постселекция выбирает состояние фотона Ψ как специальную суперпозицию: (верхний путь и горизонтальная поляризация) + (нижний путь и вертикальная поляризация). Теперь в таком эксперименте мы проводим два типа измерений. В первом эксперименте, проводимом по описанной выше методике, мы проверяем путь, пройденный фотоном. Результат измерения следующий: он проходит только по верхнему пути (рис. 5).

Во втором эксперименте мы измеряем круговую поляризацию фотона с помощью специальной пластинки (рис. 6). Результат следующий: ненулевая полярность обнаруживается только в нижнем тракте. Вывод: сами фотоны находятся на верхнем пути, но поляризация отделена от фотонов! – в нижнем пути.

Очевидно, что этот парадокс не соответствует действительности, и он разрешается с помощью приведенных выше рассуждений.

Во-первых, не следует предполагать, что в нижнем плече интерферометра, где регистрируется поляризация, вообще нет фотонов. Они действительно есть. Именно в первом типе экспериментов измерение переводит этот фотон в несигнальное состояние. Они могут быть зарегистрированы каким-либо другим датчиком, но в нашем эксперименте после отбора мы отвергаем такие события. Так исчезает главный «мистик»: поляризация не летает сама по себе, она физически передается фотонами, но мы просто решили не учитывать их.

Во-вторых, эти два вида экспериментов – проверка наличия фотона и измерение его поляризации – неизбежно проводятся с разными фотонами, а не с одними и теми же. Фотоны в определенном состоянии попадают в интерферометр один за другим. В первом фотоне мы «запросили» одну особенность на нижнем пути – и от нее она перешла в несигнальное состояние, во втором фотоне мы «попросили» другую особенность – и она перешла в сигнальное состояние. Неудивительно, что разные фотоны по-разному коллапсируют при разных измерениях.

Чтобы было ясно, вы можете выполнять оба типа измерений одновременно для каждого конкретного проходящего фотона. В этом случае результаты изменятся (после первого измерения состояние фотона быстро изменится!) И появляется тривиальная картина: датчик срабатывает только тогда, когда мы обнаружили фотон на каком-то пути и зафиксировали поляризацию на том же пути ( Рис.7). Итак, «полный опрос» фотона показывает, что поляризация идет именно там, где физически движется сам фотон. От этого кажущегося парадокса нет и следа.

Квантовый Чеширский Кот: попытка 2

Таким образом, первая попытка создать квантовую систему Чеширского Кота (рис. 1) не привела ни к чему интересному: при внимательном обсуждении результатов очевидный мистицизм сразу развеялся. И это был бы конец, если бы не новое, более тонкое свойство квантовых систем, которое было предложено в статье 2013 года.

Авторы статьи напоминают, что в квантовой механике также существует особый вид измерения – так называемый слабые измерения, которые производятся именно в экспериментах с пост-отбором. Во время плохого измерения прибор едва улавливает измеряемую характеристику молекулы. Это также незначительно влияет на квантовое состояние частицы, но не приводит к абсолютно гарантированному квантовому пробою. Результат единичного слабого измерения – не очень надежная информация о состоянии частицы, но само состояние не слишком нарушено – это своего рода компромисс между точностью и силой взаимодействия. Однако, если вы повторяете слабые измерения одних и тех же частиц много раз, то в среднем получается более или менее четкое изображение заданного размера.

Читайте также:  Выгул собак на территории: что в законе говорится о наказаниях за выгул собак там, где это запрещено? ВАШ

Расчеты, проведенные в теоретической работе, показали, что именно с помощью плохих измерений можно в конечном итоге получить квантового Чеширского кота. Сам эксперимент может выглядеть так, как на картинках в предыдущей главе, но только измерения сейчас слабые. Множественные измерения слабой поляризации в эксперименте после отбора дадут ненулевое значение в одном плече интерферометра и такое же измерение присутствия частиц в другом плече. Однако только сейчас возможно проводить слабые измерения обоих типов одновременно. Нет опасности, что сам процесс измерения полностью разрушит исходное состояние. Но опять же, нет никакой мистики, поскольку все эти измерения не абсолютные, а условные, производятся при условии срабатывания детектора сигнала и получаются только в среднем после того, как было выполнено большое количество измерений.

Эксперимент

Остается кратко рассказать о деталях эксперимента, результаты которого представлены в новой работе. Они проводились не с электронами или фотонами, а с холодными нейтронами с длиной волны 1,92 ангстрем в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле. Общая схема системы представлена ​​на рис. 8. Там же изображен интерферометр, на этот раз нейтронный интерферометр. Зеркала изготовлены из пластин монокристаллического кремния (рис. 9), которые отражают и преломляют нейтроны благодаря своим кристаллическим плоскостям.

Управление спином нейтрона на входе, выходе и внутри интерферометра осуществляется специальными катушками с магнитным полем (ST1, ST2, SR на рис. 8). Прозрачная пластина для нейтронов (ABS) с коэффициентом пропускания 0,79 позволяет проверить, по какому из двух путей следует нейтрон (первый тип эксперимента). Дополнительное магнитное поле внутри интерферометра, поворачивающее спин на 20 градусов, вместе с фазовой пластиной (PS) позволяет проводить измерение спина (второй тип эксперимента). На выходе есть два детектора, детектор сигнала (O-Det) и контрольный детектор (H-Det), которые регистрируют нейтронный удар. Детектор сигнала используется для последующего отбора, а контрольный детектор используется для контроля интенсивности нейтронного потока.

Основные результаты эксперимента показаны на рисунке 10. В каждой серии на левом и правом рисунках показаны измерения, сделанные в верхнем и нижнем плечах интерферометра; средний рисунок – контрольное измерение с пустым интерферометром. Верхняя серия фотографий представляет собой эксперимент по проверке, в каком направлении движется нейтрон; нижняя серия – это эксперимент по измерению вращения. Первый эксперимент достоверно показывает, что нейтрон присутствует только в верхнем плече, потому что именно там наблюдается слабый блокирующий эффект пластины. Второй эксперимент показывает, что вращение происходит только вдоль нижнего плеча, потому что наблюдается только эффект вращения диска. Таким образом, нейтроны попадают (включая пост-селекцию!) В плечо, а вращение регистрируется только в нижнем плече. Однако это не приводит к каким-либо настоящим парадоксам.

Единственное, что, к сожалению, не было реализовано в этом эксперименте, – это одновременное измерение обеих величин для каждой проходящей молекулы. Поскольку все согласуется с квантово-механическими предсказаниями, авторы работы уверяют, что мы получим такие же результаты и в этом случае. Однако для большей наглядности такого эксперимента, конечно, хотелось бы его реализовать.

Послесловие

Как только мистицизм рассеивается, возникает естественный вопрос: что может сделать этот новый эффект? Здесь можно привести два примера. Во-первых, это поможет лучше изучить очень плохую меру физических величин. Несмотря на четверть века экспериментальных исследований, физический смысл «плохо измеренных» величин все еще обсуждается. Фактически, до сих пор существуют разногласия относительно того, в какой степени «плохо измеренные» величины характеризуют реальные физические свойства частиц.

Во-вторых, в принципе возможны ситуации, когда мы хотим экспериментально исследовать некоторый тонкий физический эффект, зависящий от полярности частицы, но мы не хотим, чтобы частица мешала нам своим зарядом или другими свойствами. Такие эксперименты может быть удобно проводить не со свободными частицами, а внутри квантового интерферометра Чеширского Кота. В этом случае пост-выборка будет не только интересной процедурой, но и действительно поможет устранить ошибки, вносимые в точные измерения. Правда, конкретных примеров подобных экспериментов пока нет. Однако, поскольку эта тема активно развивается, не исключено, что они появятся в течение нескольких лет и могут даже стать основой новой сверхточной измерительной технологии.

Источник: T. Denkmayr et al. Наблюдение за квантовым чеширским котом в эксперименте с интерферометром “материя-волна” // Nature Communications 5, 4492 (2014); статья находится в открытом доступе.

Смотрите также:
1) Якир Ахаронов, Санду Попеску, Даниэль Рорлих и Павел Скшипчик. Квантовые чеширские кошки // New J. Phys. 15, 113015 (2013); статья находится в открытом доступе.
2) Иванов М. Г. Как понять квантовую механику. М.: УЗО, 2012.

Оцените статью
Добавить комментарий