Физики научились превращать котенка Шредингера в кота и наоборот
Группа физиков применила квантовый подход к процессу генерации старших гармоник в поле интенсивного лазерного излучения. Они показали, что состояние поля, создаваемое в таком процессе, оказывается существенно неклассическим и может быть описано как состояние кота Шрёдингера. Вместе с расчетами ученые провели и эксперимент, который подтвердил теорию. Исследование опубликовано в Nature Physics.
Квантовая механика достаточно точно описывает изолированные атомные системы, интересуясь, фактически, только движением электронов в электростатических полях ядер и друг друга. В тот момент, когда потребовалось описывать взаимодействие атомов с излучением, теория поначалу рассматривала свет классически, то есть исключительно с помощью функции напряженности электрического поля, которая описывается решением классических уравнений Максвелла.
Со временем физики научились рассматривать квантованное электромагнитное поле в рамках квантовой оптики.
В ней поле описывается с помощью фоковских состояний, то есть состояний с определенным числом частиц того или иного сорта. Впоследствии оказалось, что привычный нам свет (классический) имеет характерное статистическое распределение по числу фотонов, в то время как квантовая оптика позволяет изучать целый пласт неклассических состояний, которые находят массу практических приложений.
Несмотря на такие успехи, в квантовой оптике практически не рассматривается взаимодействие атомов с сильным полем. Это отдельный раздел оптики, изучающий интересные эффекты, которые возникают, если воздействовать на атомные или молекулярные ансамбли излучением большой интенсивности. Одним из самых любопытных эффектов стала генерация старших гармоник, суть которой в том, что в излучении, проходящем через вещество, появляются компоненты с частотами, кратными частоте падающего излучения.
В своей новой работе группа физиков из Испании и Греции при участии Мачея Левенштейна (Maciej Lewenstein) из Барселонского института науки и технологий провела теоретическое и экспериментальное исследование неклассических состояний света при генерации старших гармоник.
Они показали, что в таком процессе можно создавать экзотические состояния котов Шрёдингера, которые не могут быть описаны в рамках классического подхода.
В квантовой механике состоянием кота Шрёдингера принято называть суперпозицию двух когерентных состояний некоторой системы в контексте большого числа ее степеней свободы. В квантовой оптике этот термин употребляется для описания неклассических состояний света, которые строятся в виде суммы когерентных (классических) состояний.
Для того, чтобы описать процесс генерации таких состояний, авторы рассмотрели взаимодействие лазерной моды в когерентном состоянии с ансамблем атомов. Решая динамическое уравнение Шрёдингера и для света, и для атома, а также предполагая, что вклад всех атомов в генерацию старших гармоник согласован по фазе, они установили, что на выходе состояние основной моды будет испытывать сдвиг по амплитуде. Иными словами, конечное состояние основной моды описывается как неклассическая суперпозиция начального и смещенного состояний.
Важной особенностью работы физиков стало описание того, как характеристиками этого смещения можно управлять непрерывно. Если смещение небольшое, и оба состояния оказываются очень похожи, физики говорят о котенке Шрёдингера, в то время как существенно разные члены суперпозиции свидетельствуют о настоящем коте.
Чтобы проверить свои вычисления с помощью эксперимента, авторы помещали кювету с атомами ксенона на пути света в одном из плеч интерферометра, на вход которого подавались инфракрасные лазерные импульсы длительностью 35 фемтосекунд. После фокусировки на атомах интенсивность излучения достигала 8×1013 ватт на квадратный сантиметр, что приводило к эффективной генерации старших гармоник. Затем физики производили пост-селекцию выходного состояния, отбирая те из них, которые содержат хотя бы один фотон кратной частоты. Наконец, на выходе из интерферометра происходила интерференция этого поля с полем, которое прошло по другому плечу, где ему сообщали контролируемый набег фазы.
Сигнал с балансного детектора использовался для восстановления функции Вигнера, по которой можно судить о статистический свойствах состояния. Ее форма, полученная из эксперимента, свидетельствовала о неклассических состояниях на выходе из интерферометра, подтверждая теорию.
В заключении авторы подчеркивают, что развитая ими техника может быть использована для генерации кошачьих состояний с большим числом компонент. Они также отмечают, что усовершенствование схемы с помощью измерений с аттосекундным разрешением позволит проследить временные корреляции между основной и старшими гармониками.
Состояния котов Шредингера очень сильно интересуют физиков. Мы уже рассказывали, как они смогли увеличить количество фотонов, формирующих кота Шредингера, и даже запутать двух из них между собой.
Марат Хамадеев
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Слабое квантовое измерение, или Реанимация для кота Шрёдингера / Хабр
Сегодня, блуждая по просторам интернетов, я наткнулся на описание одного эксперимента группы американских учёных под руководством Надава Каца, которые смогли отменить коллапс волновой функции кубита, тем самым подтвердив теорию Александра Короткова и Эндрю Джордана.
Пока научное сообщество очень настороженно отнеслось к этому результату; однако, если теория Короткова-Джордана верна (а она, кажется, верна), то это приведёт к революции сначала в квантовой механике, потом в современной физике, а потом просто перевернёт мир. Именно так.
Сейчас попробую объяснить, почему.
Я думаю, все мы хорошо знаем мысленный эксперимент с котом Шрёдингера. Напомню, на всякий случай: в закрытую коробку помещается кот, ампула с ядом и нестабильное ядро, которое распадётся в ближайший час с вероятностью 50%. При этом, если ядро распадётся — ампула с ядом откроется и кот умрёт.
С точки зрения квантовой механики (точнее, копенгагенской интерпретации квантовой механики), пока мы не открыли крышку и не проверили состояние кота, он будет находиться в суперпозиции обоих состояний — и жив, и мёртв одновременно. В момент же измерения состояния кота произойдёт т.н. коллапс волновой функции — система выберет одно из двух возможных состояний, и кот будет либо жить дальше, либо безвозвратно умрёт.
Вообще, любая квантовая система находится в суперпозиции всех своих возможных состояний до тех пор, пока не произойдёт измерение и она примет одно из возможных состояний.
И вот, в 2006 году Коротков и Джордан публикуют статью с заголовком «Uncollapsing the wave function by undoing quantum measurements», что на русский можно примерно перевести как «Отмена коллапса волновой функции посредством отмены квантового измерения».
Смысл её заключается в следующем: хорошо, прямое измерение состояния системы приведёт к коллапсу волновой функции и выбору какого-то из состояний. Но, допустим, что мы сможем измерить состояние системы не напрямую, а с помощью т.н. слабого измерения (weak measurment) — такого измерения, при котором измерительный прибор слабо взаимодействует с измеряемым объектом и полного коллапса волновой функции не происходит. Тогда, по мысли Короткова и Джордана, мы можем не просто измерить непрямо состояние, но и сделать это несколько раз; при этом, если результат эксперимента нас не устраивает, мы можем вернуть систему обратно и попробовать ещё раз.
Если применить теорию Короткова-Джордана к коту Шрёдингера, то это будет выглядеть примерно так: мы можем не открывать коробку, а немножко приоткрыть её и глянуть одним глазком; если мы увидим, что кот мёртв, мы можем закрыть коробку, подождать какое-то время, глянуть снова и увидеть кота живым!
Звучит бредово и фантастически, однако в 2008 году Надав Кац и его группа сумела провести эксперимент, в котором фактически выполнила подобную последовательность действий.
Группа Каца поместила кубит в состояние суперпозиции из его обоих состояний — высоко- и низкоэнергетического. Любая попытка напрямую измерить энергию кубита привела бы к коллапсу волновой функции и переходу кубита в одно из двух состояний.
Далее, происходило следующее: с помощью слабого измерения магнитных полей команда Каца получала информацию о состоянии кубита (0 или 1). При этом кубит частично коллапсировал в сторону измеренного состояния. Если это состояние оказывалось нулевым, проводилась процедура «отмены коллапса» Короткова-Джордана: кубит получал магнитный импульс, который переводил его в строго противоположное состояние, после чего производилось точно такое же слабое измерение его состояния.
Результатом этих трёх операций (слабое измерение состояния 1 — реверс — слабое измерение состояния 2) стал перевод кубита в точно такое же состояние неопределённости, в котором он был до всех этих манипуляций (т.е. два измерения фактически отменяют влияние друг друга). Иными словами, ученые измеряли состояние «кота», и, если он был мёртв, опять возвращали его в состояние неопределённости.
Вот подробное описание эксперимента, если кто-то не верит: оригинал, статья на русском.
Поговорим теперь о том, к каким последствиям это потенциально может привести.
Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
В 1935 году Эйнштейн с группой единомышленников, пытаясь оспорить копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, сформулировал парадокс, названный позднее парадоксом Эйнштейна-Подольского-Розена (ERP paradox).
Соотношение неопределённостей Гейзенберга гласит, что нельзя измерить абсолютно точно и положение, и импульс квантовой системы. Хорошо, сказал Эйнштейн, а если мы возьмём систему из двух идентичных частиц, и измерим у одной из них импульс, а у другой положение — мы же нарушим принцип неопределённости?
Как оказалось, нет.
Измерение состояния одной из «запутанных» частиц приводило к коллапсу состояния другой частицы, как бы далеко они друг от друга ни находились. Это явление было неоднократно подтверждено экспериментально — в самом сильном эксперименте частицы находились на расстоянии 144 километра друг от друга.
Благодаря квантовой спутанности стала возможна т.н. квантовая криптография. Допустим, у Анны и Бориса есть коробка спутанных фотонов. Они уезжают в разные страны, каждый увозя с собой по половине фотонов. Далее, Анна измеряет состояние первого фотона. Его пара в коробке Бориса автоматически принимает то же состояние. Т.о. можно сформировать ключ шифрования, который одновременно будут знать только Анна и Борис. Далее, этим ключом шифруется сообщение и пересылается.
Хотя коллапс спутанных частиц происходит моментально, передача информации, как считалось до недавнего времени, таким образом невозможна, т.к. Анна не имеет возможности повлиять на выбор состояния своим фотоном. Но Коротков и Джордан предложили, а группа Каца экспериментально проверила, что такая возможность таки есть!
Если бы у Анны и Бориса была коробка спутанных кубитов, то Анна с помощью процедуры отмены коллапса волновой функции могла бы «доставать» из коробки первый кубит сколько угодно раз, пока он, наконец, не примет именно то состояние, которое нужно Анне.
Кубит Бориса при этом примет ровно то же состояние — получается, Анна передаёт Борису информацию МГНОВЕННО.
А ведь мгновенная передача информации — только вершина айсберга. По смыслу теории Короткова-Джордана, мы можем отменить результаты любого эксперимента (пока, правда, с оговоркой «квантового»), если он нас не устраивает, и попробовать ещё раз — да вообще, сколько угодно раз, пока не получим приемлемый результат.
Фактически, если описанные выше рассуждения действительно можно воспроизвести, то мы стоим где-то на грани совершенно невероятных изменений в физике, которые потом до неузнаваемости изменят всю нашу жизнь.
UPD. Некоторое количество комментаторов обвиняет меня в невежестве; я легко в нём признаюсь, так как ни разу не физик-теоретик и написал всё так, как понял. Если кто-то разбирается в вопросе лучше меня — я бы с огромным интересом почитал пост с уточнением/более глубоким описанием вопроса.
№ 347: КОТ ШРЕДИНГЕРА  ЛинхардЩелкните здесь для прослушивания аудио эпизода 347.
|
он объясняет Кот Шредингера , существо, рожденное в
странное новое понимание квантовой механики.
Он не знает, какая дверь ведет
тигру, но ответ известен.
Радиоактивный распад происходит на уровне
неопределенность. Нет знаний о системе внутри
коробка когда-нибудь позволит вам предсказать судьбу
Кот Шредингера. Живет оно или умирает
абсолютно непостижимо — пока вы не откроете коробку.
Так что, это
что наблюдатель определяет истину. Этот
делает странный комментарий к объективной науке. Были
осталось задаться вопросом, не намного ли учёные глубже
переплетены с миром, который они наблюдают, чем они
хотели бы быть.
Линхард.Физика, стоящая за парадоксом кота Шредингера
Его мысленный эксперимент с кошачьим парадоксом стал одним из основных элементов поп-культуры, но именно работа Эрвина Шредингера в области квантовой механики укрепила его статус в мире физики.
В понедельник физику, лауреату Нобелевской премии, исполнилось бы 126 лет, и, чтобы отпраздновать это событие, Google почтил его рождение дудлом на тему кошек, который отдает дань уважения парадоксу, предложенному Шредингером в 1935 в следующем теоретическом эксперименте.
Кота помещают в стальной ящик вместе со счетчиком Гейгера, флаконом с ядом, молотком и радиоактивным веществом.
Когда радиоактивное вещество распадается, Гейгер обнаруживает это и запускает молоток, чтобы выпустить яд, который впоследствии убивает кошку. Радиоактивный распад — случайный процесс, и невозможно предсказать, когда он произойдет. Физики говорят, что атом существует в состоянии, известном как суперпозиция, — он и распался, и не распался одновременно.
Пока ящик не открыт, наблюдатель не знает, жив кот или мертв, потому что судьба кота неразрывно связана с тем, распался атом или нет, и кот, как выразился Шредингер, был бы «живым». и мертвых… в равных долях”, пока это не будет соблюдено. (Подробнее о физике: Физика водных горок.)
Другими словами, пока ящик не был открыт, состояние кота совершенно неизвестно, и поэтому кот считается и живым, и мертвым одновременно, пока за ним не наблюдают.
“Если вы поместите кошку в коробку, и если нет возможности сказать, что она делает, вы должны обращаться с ней так, как будто она делает все возможные вещи – живая и мертвая – одновременно, — объясняет Эрик Мартелл, адъюнкт-профессор физики и астрономии Университета Милликина.
Немедленно взглянув на кошку, наблюдатель сразу же узнает, жива ли кошка или мертва, и «суперпозиция» кошки — идея о том, что она находится в обоих состояниях — рухнет либо в знание того, что «кошка жив” или “кот мертв”, но не то и другое одновременно.
Шредингер разработал этот парадокс, говорит Мартелл, чтобы проиллюстрировать один момент квантовой механики о природе волновых частиц.
«В конце 1800-х и начале 1900-х мы обнаружили, что очень, очень крошечные вещи не подчиняются законам Ньютона», — говорит он. «Поэтому правила, которые мы использовали для управления движением мяча, человека или автомобиля, нельзя использовать для объяснения того, как работает электрон или атом».
В основе квантовой теории, которая используется для описания поведения субатомных частиц, таких как электроны и протоны, лежит идея волновой функции.